催化材料概论1
材料催化的原理和应用
材料催化的原理和应用材料催化是一种利用特定材料来促进化学反应速率的技术。
催化剂作为化学反应的加速剂，可以降低反应的活化能，从而提高反应速率，降低反应温度和节约原材料。
材料催化技术具有广泛的应用前景，被广泛应用于化学、材料科学、环境保护、能源等领域。
本文将从催化原理、催化剂种类以及应用方面介绍材料催化的相关内容。
一、催化原理催化剂是加快化学反应的物质，可以通过提供表面反应活性位点来促进化学反应，从而减少反应活化能。
反应活化能是反应物分子必须克服的能量障碍，催化剂能够降低这个障碍，使得反应速率得到加快。
催化剂能够降低反应活化能的原因是因为催化剂与反应物分子之间发生了物理或化学反应，使得反应活化能降低。
一般而言，催化剂可以通过三步反应参与反应，第一步是吸附反应物分子，第二步是做出注入改变，使反应物分子产生变化，第三步是脱附产物，使催化剂恢复原状，从而参与下一次反应。
而且，催化剂与反应物分子之间发生的相互作用可以被归纳为四种类型：物理作用、化学作用、电子作用和杂化作用。
其中，电子作用占据着核心地位。
二、催化剂种类催化剂可以按照不同的分类标准进行分类，例如按照化学性质，按照反应类型，按照反应物性质等分类方法。
根据反应物种类，催化剂可分为氧化剂、还原剂、酸催化剂、碱催化剂等。
氧化剂催化剂常常无法直接参与反应，但它们能够提供氧原子，从而导致反应的发生。
还原剂催化剂通常是金属或金属氧化物，可以提供电子或氢分子。
Kohlrausch 转移数字通常用于确定还原剂的反应活性。
酸催化剂是针对缺乏含有反应物键合能的分子，这种缺陷阻碍了反应物的化学反应。
碱性催化剂则在不涉及中间环节的情况下清除反应物质。
三、应用方面催化技术广泛应用于工业生产中，涉及领域包括医药、精细化工、工业催化、材料科学、环境保护等。
其中，工业催化是最常见的应用领域。
催化技术可以降低工业反应的能源消耗，提高反应速率，改进反应条件，降低环境污染。
此外，催化技术还具有在其他领域中应用的广泛前景，例如，在材料科学中，催化剂可用于制备高纯度的材料、纳米材料等；在环境保护方面，催化剂可用于污染物的去除和减少废气排放等方面。
催化原理复习提纲 1~4章
第一章：绪论1、催化的重要性（理解，能举例，开放性题目）答：催化有三重意思：催化科学、催化技术和催化作用。
催化科学：是研究催化作用的原理；研究催化剂①为何能使反应的分子活化，②怎样活化③以及活化后的分子的性能和行为；其重要性需由催化技术的广泛应用来说明，体现在提供理论指导。
催化科学①通过开发新的催化工程革新化学工业，提高经济效益和产品的竞争力，②通过学科渗透为发展新型材料（敏感材料、光电转换材料、储氢材料）和利用新能源做出贡献，③其跨学科性对生命科学有重要潜在意义，④将获得的对于活性中心的认识推广到分子学科的其他领域，通过对不同领域的分子作用机理的对比，获得新发现为本身的新应用创造条件。
催化技术：是催化作用原理的具体应用；90％以上的化学工业涉及催化技术，60%以上的产品与催化技术有关，在发达国家由催化技术直接和间接的贡献达到20-30％GDP；催化技术是现代化学工业的支柱和核心技术，而催化材料是催化技术的灵魂。
催化剂应用领域如下：（1）合成氨及合成甲醇: 产量最大的合成化学品（合成氨技术为一战提供火药和粮食）（2）石油炼制（煤、天然气）与合成燃料：运输量和消费量最大的化学品（二战德国:依赖于煤油的大生产）（3）无机化学工业：酸、碱、盐，硫酸和硝酸的生产（4）基本有机合成工业：醇、醛（酮）、酸、酯、腈（5）三大合成材料：合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维（Ziegler-Natta、后过渡金属、茂金属催化剂）（6）精细化工产品：品种最多、平均单价高的化学品（7）生物化工：最有潜力和发展前景的化工领域（8）环境化学：与人类生存密切相关的领域，尾气净化催化作用：其理论对催化科学的形成奠定了基础，特别是化学热力学及化学动力学的理论。
如反应中间物种的形成与转化、晶格缺陷、表面活性中心、吸附现象以及诸多的实验研究方法对于探索催化作用的本质，改进原有催化剂和研究新的催化过程有推动作用。
总而言之：催化是中心科学。
催化化学复习资料(一)2024
催化化学复习资料（一）引言概述：催化化学是化学领域中一门重要的学科，它研究的是催化剂如何促进化学反应的进行。
本文将针对催化化学进行复习，介绍催化剂的分类、催化反应的基本原理、催化剂的活性与选择性、催化剂的失活与再生以及催化反应中的动力学等内容。
一、催化剂的分类：1. 酸催化剂：介绍酸催化剂的作用原理和优点。
2. 碱催化剂：介绍碱催化剂的作用原理和应用领域。
3. 金属催化剂：介绍金属催化剂的特点和催化机理。
4. 酶催化剂：介绍酶催化剂在生物催化中的应用和特点。
5. 复合催化剂：介绍复合催化剂的结构和催化性能。
二、催化反应的基本原理：1. 催化反应的速率方程：介绍催化反应速率方程的推导和应用。
2. 催化剂与反应物之间的作用：探讨催化剂与反应物之间的作用机制和热力学因素。
3. 控制催化反应的条件：介绍催化反应的温度、压力和物质浓度等因素在催化反应中的作用。
4. 催化反应的平衡与动力学：解释催化反应达到平衡态和动力学控制的条件和方法。
5. 催化反应的催化剂和反应物的选择：讨论选择适当催化剂和反应物的重要性和方法。
三、催化剂的活性与选择性：1. 催化剂的活性和活性中心：介绍催化剂的活性和活性中心的定义和重要性。
2. 催化剂的选择性：探讨催化剂的选择性与反应路径的关系和调控方法。
3. 催化剂的表面修饰：介绍通过表面修饰提高催化剂活性和选择性的方法和原理。
4. 催化剂的载体：讨论不同载体对催化剂活性和选择性的影响和选择方法。
5. 催化剂的形态效应：解释催化剂形态对反应活性和选择性的影响和调节方法。
四、催化剂的失活与再生：1. 催化剂的失活类型：介绍物理失活和化学失活两种催化剂失活的类型和机制。
2. 催化剂的再生方法：探讨常见的催化剂再生方法和实际应用情况。
3. 催化剂失活的原因与控制：解释催化剂失活的原因和控制方法。
4. 催化剂寿命评价：介绍催化剂寿命评价的方法和实际应用。
5. 催化剂的稳定性：讨论提高催化剂稳定性的措施和研究方向。
催化概论
纳米尺度催化材料1纳米尺度催化材料1催化概论 ? 作用：改变热力学上允许的化学反应的速率，决定反应途径（机理）。
? 分类：均相催化和非均相催化。
? 均相催化(homogeneous catalysis)：催化剂和反应物处于均匀的气相或液相中进行反应。
? 非均相催化(heterogeneous catalysis)：催化剂和反应物在不同的相中。
如多相催化，催化剂为固体颗粒，反应物为气相或液相，反应在催化剂表面进行。
? 反应速率与催化剂的比表面积、电子结构、缺陷等因素密切相关。
? 催化剂的三要素：活性(activity)、选择性(selectivity)、寿命(lifetime)。
纳米催化(nanocatalysis) ? 在乙烯加氢转变为乙烷的反应中，当加入超细的铂颗粒作催化剂时，反应温度可从600℃减低至20℃（室温），对工业生产降低能耗具有重大的经济效益。
? 催化是纳米超微粒子在化学化工领域应用的一个重要领域。
利用纳米粒子的高比表面积与高活性可以显著增加催化效率，国际上已把纳米催化剂作为第四代催化剂进行研究和开发。
它在燃料化学，催化化学中起着十分重要的作用。
普通纳米催化剂的性质及其应用 ? 作为催化剂，首先就会考虑纳米颗粒的巨大表面积和表面原子占很大比例这些特点。
近年来也确有不少人研制出了催化活性很高的纳米催化剂尤其是一些配体稳定化的金属纳米颗粒，其稳定性很好，可用于均相催化，还具有便于回收的优点，因此可能具有应用前景。
纳米尺度催化材料纳米尺度材料表面效应 ? 纳米材料表现出的独特的力学、光学、电学、磁学以及催化性能。
这些特殊性能取决于下述基本结构特点： ? (a)超细粒子及其粒度分布(<100nm)； ? ? (b)化学组成； (c)界面的存在，特别是晶粒间界、多相界面或表面； ? (d)各组分间的相互作用。
纳米尺度材料表面效应 ? 纳米尺度材料的外观形貌表现为微球形纳来尺度材料的分散与烧结现象 ? 纳米材料表面发达，表面原子比例很高，因而表面效应十分明显。
1 催化概论
教材与参考书目
教材：
《工业催化》第二版 黄仲涛 主编，化学工业出版社，2008 《工业催化》第一版 唐晓东 主编，化学工业出版社，2010
参考书目：
《应用催化基础》 吴越 著， 化学工业出版社， 2009 《工业催化剂设计与开发》黄仲涛 主编 ，化学工 业出版社，2009
课程性质与任务
课程性质：
化工类学生的方向性专业课程，以化学为基础的应 用催化，以开发“新”的催化反应（工艺）及“新 ”的催化剂为目标 催化原理：以阐明过程的化学本质为目标
课程任务：
掌握催化作用的基本规律和化学本质 熟悉工业催化技术的基本要求和特征 了解工业催化剂的制备及表征方法
课程内容与进度
催化剂的现在和未来
生物催化-酶催化 新方法 手性催化-制药 择形催化 环保催化-汽车尾气净化，水质净化 新能源-燃料电池，水光解制氢 新材料
新 领 域
催化的多样性和复杂性— 实例分析
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
点燃
燃烧值高： C/H=1/4（<成品油CH2或煤为CH） 燃烧过程洁净安全 可获得更多的能量 探明的天然气储量 (>60年)已超过石油(44年) 温室气体,属限量排放之列,有效利用减小污染 甲烷转化为精细化学品和燃料是当今多相催化领域的 重大课题之一
甲烷化反应
如果热力学允许，对可逆反应的两个 方向都是有效的，可谓是“左右逢源”
催化剂的定义
国际纯粹及应用化学协会（IUPAC）定义：
能加速反应速率而本身又不参与最终产物（不改 变该反应的标准自由焓变化）的物质。
三元催化 材料
三元催化材料
三元催化材料是一种用于催化反应的特殊材料。
它由三种不同的成分组成，通常包括两种催化剂和一种载体材料。
第一种成分是活性组分，它具有催化反应所需的活性中心。
这些活性中心可以是金属、金属氧化物或其他化合物。
活性组分能够吸附反应物，并在催化剂表面上促进反应发生。
第二种成分是助催化剂，它的作用是增强活性组分的催化活性。
助催化剂可以提供额外的活化位点，增加反应物的吸附能力，或通过共吸附来提供协同效应。
它们与活性组分相互作用，形成协同催化效应，提高催化反应的效率和选择性。
第三种成分是载体材料，它起到支撑和保护活性组分和助催化剂的作用。
载体材料通常具有高度的表面积和孔隙结构，可以提供更多的催化反应位点。
同时，载体材料还能够稳定催化剂，延长其寿命。
三元催化材料可以应用于多种催化反应中，例如有机合成、环境净化、能源转化等。
其优点包括高效、选择性好和寿命长。
此外，通过调控三种不同成分的比例和配位方式，可以进一步优化催化性能。
三元催化材料在催化领域具有广泛的应用前景，对于促进可持续发展和解决环境问题具有重要意义。
催化材料概论1
催化剂材料基础
第四节 催化剂的评价
1
活性和选择性 寿 命
2
催化剂材料基础
一、活性和选择性
1. 数学评价方法 (1) 活性
aA bB cC
0 NA NA XA 100% 0 NA
a N A转化为某一产品的量 b B 100% yA 加入A的总量 NA
a NB b SB 0 100% NA NA
催化剂材料基础
三、机械混合
混合可以在任何的相间进行，可以是液—液混合、固— 固混合(干式混合)，也可以是液—固混合(湿式混合)。 例如，水凝胶与含水沉淀物的混合（湿混），含水沉淀 物与固体粉末的混合(湿混），多种固体粉末之间的混合 (干混）等等。
催化剂材料基础
四、离子交换法
离子交换剂是指载有可交换离子(即反离子)的不溶性固 态物质。 典型的阳离子交换过程： 2NaX(s) + CaCl2(aq) = CaX2(S) + 2NaCl(aq) 典型的阴离子交换过程： 2XCl(s) + Na2SO4(aq) = X2SO4(s) + 2NaCl(aq)
催化剂材料基础
一、活性和选择性
2. 常用反应器 (1) 流通式反应器 (2) 封闭式反应器 (3) 脉冲式反应器
催化剂材料基础
二、寿命
催化剂的寿命除了与催化剂的结构等客观因素有关外， 还与使用期间的客观因素变化有关。如，毒物出现，局 部过热，主催化剂的流失等。 延长催化剂寿命可通过下列方式进行：防止烧结，提 高熔点，防止积炭，除去反应物中的毒物等。
催化剂材料基础
五、总体设计
原则上，我们对所设计的催化剂至少有下述三方面的要 求： (1) 单位容积催化剂的活性和选择性愈高愈好。 (2) 催化剂的寿命(活性、选择性、机械强度能稳定保持 的时间)愈长愈好。 (3) 操作费用（主要是动力消耗)和建设投资(涉及催化 反应装置结构的复杂程度)愈低愈好。
第1章 催化概论
第一章 催化概论 1.1实例分析
近二十年来，探明的天然气储量越来越大， 可采年限(>60年)已超过日见匮乏的石油(44 年)。但甲烷分子安定，不易液化，远距离运 输较困难。甲烷又是温室气体之一，工业产生 的甲烷废气都属限量排放之列。所以合理利用 甲烷，无论是从补充石油储量不足还是从控制 污染角度讲都有重要意义。而实现这样的目标， 不管经过怎样的途径，催化都是必不可少的。 实际上，将甲烷转化为精细化学品和燃料是当 今多相催化领域的重大课题之一。
(1.2) (1.3)
nCH3OH 分子筛催化剂， CnH(2n+2) + nH2O (1.4)
第一章 催化概论 1.1实例分析
Sasol（南非）和Shell公司选择的工 业路线采取两步走的方式，其中第一步 也是将甲烷经水汽重整转化为合成气 （反应1.2），然后由合成气直接合成汽 油，即:
T.B. Selower, Thermodynamic Properties of Methane, Hemisphere, Washington, D. C. (1987)
表2. 一些合成气反应的G0（kJ/mol）
反应 CO+2H2 CH3OH 2CO+4H2 C2H5OH+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O 2CO CO2+C CO+3H2 CH4+H2O nCO+2nH2 CnH2nOH+nH2O(n=2) nCO+(2n+1)H2 CnH2n+1OH+nH2O(n=2)
Fe催化剂， nCO + (2n+1)H2 CnH(2n+2) + nH2O (1.5)
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催化剂材料基础
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催化剂材料基础
催化剂材料基础
五、总体设计
原则上，我们对所设计的催化剂至少有下述三方面的要 求： (1) 单位容积催化剂的活性和选择性愈高愈好。 (2) 催化剂的寿命(活性、选择性、机械强度能稳定保持 的时间)愈长愈好。 (3) 操作费用（主要是动力消耗)和建设投资(涉及催化 反应装置结构的复杂程度)愈低愈好。
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第一节 催化作用发展简介
1
催化反应的发展 催化理论的发展 催化作用的发展趋势
2
3
催化剂材料基础
一、催化反应的发展
催化作用的发展史是一部人类认识自然、改造自然的斗 争史。人类很早就利用催化剂为自己服务了，尽管他们 根本不了解它在化学反应中所起的重要作用。古代炼金 士把硫磺和硝石放在一起来制造硫酸，其中硝石就是催 化剂。把酒曲加到粮食中酿酒和制醋，酒曲就是催化剂。
催化剂材料基础
二、催化理论的发展
起初，对于什么反应需要什么样的催化剂，只是进行试 探性工作，盲目性大。后来，科学家着手研究催化剂的 组成、制备方法等反应条件与活性之间的关系，为寻找 合适的催化剂提供了理论依据。
催化剂材料基础
三、催化作用的发展趋势
近来，人们对物质的结构和物质内部的运动规律有较深 刻的认识，已逐步运用结构化学知识对催化剂作用机理 作定性、半定量的描述。尤其是利用了量子化学知识来 描述分子中电子运动的规律，这对预测分子稳定性和催 化活性方面起很大作用。
催化剂材料基础
三、助催化剂的选择
2．结构性助催化剂 (1) 要有较高的熔点，在使用条件下稳定。 (2) 对催化反应呈惰性，否则可能改变（主要是降低） 催化剂的活性或选择性。 (3) 不与活性组分（主催化剂与调变性助催化剂）发生 化学反应，如生成合金或新的化合物，否则可能导致活 性组分中毒。
催化剂材料基础
催化剂材料基础
第二节 催化剂概述
1 2 3 4 5
若干领域里常用催化剂 主催化剂的选择 助催化剂的选择 载体的选择 总体设计
催化剂材料基础
一、若干领域里常用催化剂
1. 异构化反应催化剂 2. 重整催化剂 3. 烷基化催化剂 4. 聚合型催化剂 5. 水合、脱水催化剂
催化剂材料基础
一、若干领域里常用催化剂
五、总体设计
图1-4 催化剂颗粒尺寸与消耗费用的关系
催化剂材料基础
第三节 催化剂的制备
1 2 3 4 5 6 7
催化剂材料基础
沉淀法 浸渍法 机械混合 离子交换法 热熔融 催化剂的煅烧和活化 催化剂成型
一、沉淀法
1. 沉淀剂的选择 (1) 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂。 (2) 形成的沉淀物必须便于过滤和洗涤。 2. 沉淀的形成条件 (1) 晶形沉淀形成条件 (2) 非晶形沉淀形成条件
催化剂材料基础
一、沉淀法
3．沉淀的洗涤 (1) 对于溶解度很小而又不易形成胶体的沉淀，可用蒸 馏水或其它纯水洗涤。 (2) 对于溶解度较大的晶形沉淀, 宜用沉淀剂稀溶液来 洗, 但是只有易分解并含易挥发成分的沉淀剂才能使用。 (3) 对于溶解度较小的非晶形沉淀, 应选择易分解易挥 发的电解质稀溶液洗涤。 (4) 温热的洗涤液容易将沉淀洗净, 通过过滤器也较快， 还能防止胶体溶液的形成。
催化剂材料基础
一、沉淀法
4．沉淀方法 (1) 单组分沉淀法 (2) 共沉淀法(多组分沉淀法)
催化剂材料基础
二、浸渍法
浸渍是一个简单的操作，通常是将待附载组分的可溶性 化合物溶解在水或其它溶剂中，配制成给定浓度的浸渍 溶液，然后与处理好的载体相混合，在一定条件下浸泡 一段时间，滤去过剩溶液（如果有的话）。或将浸渍液 与载体相混合后，一定温度下搅拌、蒸干溶剂。再经过 干燥、煅烧或还原后，便得到附载型催化剂。
催化剂材料基础
催化剂材料基础
目
1 2 3 4 5 6 7 8 9
催化剂材料基础
录
催化材料概述 酸碱催化剂概述 分子筛催化剂 层柱状及杂多酸催化剂 金属催化剂 金属氧化物催化剂 配合物催化剂 相转移催化剂 纳米催化与光催化
第一章 催化材料概述
1 催化作用发展简介 2 催化剂概述 3 催化剂的制备 4 催化剂的评价
四、载体的选择
1．化学因素 (1) 催化剂组分是否可能与载体发生化学作用？如果发 生，是否是所希望的？ (2) 载体在操作条件下的化学稳定性 (3) 活性组分与载体的协同作用 (4) 结构敏感性反应和结构非敏感性反应。
催化剂材料基础
四、载体的选择
2．物理因素 (1) 机械强度 (2) 载体的导热性质 (3) 载体的宏观结构
催化剂材料基础
第四节 催化剂的评价
1
活性和选择性 寿 命
2
催化剂材料基础
一、活性和选择性
1. 数学评价方法 (1) 活性
aA bB cC
0 NA NA XA 100% 0 NA
a N A转化为某一产品的量 b B 100% yA 加入A的总量 NA
a NB b SB 0 100% NA NA
图1-1 氧化亚氮分解的活性样本
催化剂材料基础
二、主催化剂的选择
2.吸附热
图1-1 氧化亚氮分解的活性样本
催化剂材料基础
二、主催化剂的选择
3．几何对应性 4．吸附复合物的形式 5．晶体场、配位场理论
图1-3 八面体场与四面体场的d轨道能级分裂
催化剂材料基础
三、助催化剂的选择
1．调变性助催化剂 调变性助催化剂能在一定的范围内改变主催化剂的本征 活性和选择性。通常，在选择助催化剂前，已经对主催 化剂作了选择，大致了解到主催化剂的优点和弱点，选 择助催化剂的目的是保证主催化剂的优点，克服其缺点。
催化剂材料基础
五、热熔融
热熔融系借高温条件将催化剂的各个组分熔合成为均匀 分布的混合体、合金固溶体或氧化物固溶体，以获得高 活性、高热稳定性、高机械强度等性能的催化剂。
催化剂材料基础
六、催化剂的煅烧和活化
1．煅烧 (1)煅烧的第一个作用 Al2O3·H2O → Al2O3 + H2O 4CrO3 → 2Cr2O3 + 3O2 2KNO3 → 2KNO2 + O2 2KNO2 → K2O+NO+NO2 Ni(HCOO)2·2H2O → Ni + 2CO2 + 2H2O (2) 煅烧的第二个作用 (3) 煅烧的第三个作用
催化剂材料基础
一、活性和选择性
2. 常用反应器 (1) 流通式反应器 (2) 封闭式反应器 (3) 脉冲式反应器
催化剂材料基础
二、寿命
催化剂的寿命除了与催化剂的结构等客观因素有关外， 还与使用期间的客观因素变化有关。如，毒物出现，局 部过热，主催化剂的流失等。 延长催化剂寿命可通过下列方式进行：防止烧结，提 高熔点，防止积炭，除去反应物中的毒物等。
催化剂材料பைடு நூலகம்础
六、催化剂的煅烧和活化
2. 活化 在催化剂制备中，使催化剂具备反应所需的活化态的过 程，称为催化剂的活化。有些催化剂煅烧后即达到活化 态。有些催化剂则不然。
催化剂材料基础
七、催化剂成型
1. 喷雾成型或油滴成型 2．回转造球 3．湿式挤压成型 4．干式压缩成型 (1) 板状成型法 (2) 锭剂机成型法
催化剂材料基础
三、机械混合
混合可以在任何的相间进行，可以是液—液混合、固— 固混合(干式混合)，也可以是液—固混合(湿式混合)。 例如，水凝胶与含水沉淀物的混合（湿混），含水沉淀 物与固体粉末的混合(湿混），多种固体粉末之间的混合 (干混）等等。
催化剂材料基础
四、离子交换法
离子交换剂是指载有可交换离子(即反离子)的不溶性固 态物质。 典型的阳离子交换过程： 2NaX(s) + CaCl2(aq) = CaX2(S) + 2NaCl(aq) 典型的阴离子交换过程： 2XCl(s) + Na2SO4(aq) = X2SO4(s) + 2NaCl(aq)
6.加氢催化剂 (1) 烯烃加氢 (2) 苯加氢 (3)苯酚加氢 7.氧化还原催化剂
催化剂材料基础
二、主催化剂的选择
1.活性样本 活性顺序： La < Nd < Sm < Gd < Ho < Er < Tm < Yd 原子序数： 57 4f电子数： 0 60 4 62 6 64 7 67 11 68 12 69 13 70 14