工业催化剂的设计

5.金属-载体相互作用
l 金属的可还原性取决于所用的载体。 Fe3+(Fe2+)离子负载于SiO2或活性炭上，极易 还原为金属；负载于Al2O3上用氢只能还原为 Fe2+态。
l 金属粒子的大小、形态、分布随载体变化很 大。与金属对载体是否有润湿性很有关，载体 的孔结构、表面结构、金属在表面的流动性将 影响金属粒子大小和形貌。
原位红外技术：确定表面活性部位、 动态吸附过程。酸中心、碱中心，酸类 型（Brönsted acid, Lewis acid），酸强 度及分布，酸量。
4.深入了解催化剂表面活性中心和体相的性质
金属催化剂： 利用探针分子CO, H2等化学吸附观察金 属的分散状态。与TPD结合，给出活性中 心数目、能量上的差别、金属在载体上 的分散状态。
SELECTIONS OF PRIMARY COMPONENTS ON CHEMICAL GROUNDS: (A) ACTIVITY PATTERNS (B) HEATS OF ADSORPTION (C) DESIRED CHEMISORPTION COMPLEXES
(D) GEOMETRIC CONSIDERATION (E) CRYSTAL FIELD THEOTY
O2= (ads) > O= (ads.) > O-(ads) > O2-(ads) > O=(lattice) ⇐ 强 （氧化能力） 弱 ⇒
亲核
亲核
亲电
亲电
深度氧化
部分氧化
乙烯环氧化: Ag —— O2-(ads)，环氧乙烷； 其他金属—— O= (ads.) ，O-(ads)；CO2+H2O
CO分子：在过渡金属Rh, Pd, Pt上形成 s-p键 合M=C=O活化。Mo, W, Fe 上解离吸附活化。
饱和烃分子：
金属或酸性金属氧化物均可，但机理不同。 在金属催化剂上解离吸附后脱出氢，生成烯烃； 在超强酸金属氧化物催化剂上脱出H-离子，生 成正碳离子得到活化。
不饱和烃分子：
酸性催化剂上与H+离子结合生成正碳离子， 发生裂解、异构化、叠合反应。金属催化剂上 发生催化加氢。碱催化剂上生成烯丙基活化， 使烷基芳烃侧链烷基化。
对于氧参加的反应（N2O的催化分解、CO催化氧 化、烃的选择性催化氧化）来说,活性最高的半导体催 化剂,常是易与反应物交换晶格氧的催化剂。
子配位原理、催化循环、簇状物化学 l 物理化学：热力学、动力学、表面现象物化分析 l 分析测试技术：催化剂物化性能表征技术、原料和产
品分析技术
二. 催化剂设计的科学方法
对指定的反应，或者需要制造的某种产 品，应如何选用一种催化剂的实际知识的逻 辑分析。这种设计的催化剂应将应该是较佳 的性能和能取得最大的经济效益。
7．宏观结构控制对于催化剂设计的意义
在工业催化剂设计中，有效地控制催化剂 的宏观结构十分重要。
比表面、孔径和孔容、孔径分布、颗粒大 小与分布、物相的排列与聚集、颗粒的形貌 和凝结的程度等。
在已经设计好的催化剂的加工制备过程中， 要严格检查和了解催化剂结构面貌的实际情 况，建立相应的数据库。
三．催化剂设计的框图程序
英国科学家D.A.Dowden: 首次提出催化 剂设计的构想后，日本学者米田幸夫教授将非 均相催化剂的化学特性数值（酸碱性、氧化能 力的强度分布），反应基质的分子物性（热力 学数据、量子化学的反应性指数等）进行线性 关联；又把催化剂的变量挑选出结构上的钝性、 敏感性与反应速度、选择性数值进行关联，以 预测催化剂的制造与筛选。
Al2O3不适合在酸性条件淤浆反应器使用， 能催S化iO剂2不，适如合催氟化化重反整应用；A活l2O性3载载体体。用于双功
4.深入了解催化剂表面活性中心和体相的性质
了解正确的表面活性中心类型、迁 移和扩散过程、体相的热传导和电子传 递性能。
化学吸附实验是传统有效的表征方 法（稳态法、动态法 TPD）。
异构化、水合 —— H3PO4/硅藻土…）
固体酸（氢型分子筛、Al2O3、
经过活化处理后，制备的催化剂材料可能组成、
结构、化学状态发生很大变化。如部分还原、部分氧
化、硫化等。
2.可入选的催化剂材料
根据反应分子活化方式进行评选： 根据饱根和据烃H分2, 子O2、, N不2 饱等和小烃分分子子的、活芳化烃规分律子选的择； 活化规律选择。 H2分子：均匀解离活化、非均匀解离活化。 金属催化剂上：-50 - -100℃, 氢均匀解离，使 不饱和烃加氢。 Z金n属O,氧40化0物℃催，化真剂空上干：燥如处C理r2，O表3, 面Co羟3O基4, 脱Ni水O,， 氢不均匀解离。
TRIMM 提出的催化剂总体设计程序
设 想 1：从廉价原料出发制成所需产品 2：明确政府的环保规定 3：能否获得最大的经济效益
经济技术评价
写出反应过程，定出催化剂类别 从可能的表面相互作用描绘出反应过程
从化学观点出发选择主要组分：
A: 活性模型 B:吸附热 C:化学吸附络合物
D:几何构型 E：结晶理论
5.金属-载体相互作用
实例：废气排放净化催化剂： Pt, Pd, Rh/q-Al2O3, 助催化剂La2O3, CeO2
q-Al2O3高表面积、热稳定； La2O3 防止q-Al2O3向低表面a- Al2O3转变； CeO2 强化CO氧化和水煤气变换活性，这 在排放气中氧含量低时尤为重要； 利用SMSI效应，变换产物氢促进了NO的还 原。
工业催化剂的设计
Chapter 2: Design of Industrial Catalysts
2. 催化剂的分类
l 按聚集状态：
催化剂——固体、液体、气体 反应物——气体、液体、气体+液体、固体+气体
l 按化学键类型：
金属键——自由基反应 等极键——氧化还原反应
离子键——氧化还原反应、酸碱反应 配位键——酸碱反应、金属键反应 金属键——金属键反应 催化剂有多功能性，反应中同时可以形成多种化学键。
催化剂设计本身不需要引用新的催化概 念和新的催化理论，所需要的只是对已有的 概念和有效实验数据进行新的思考，需要收 集和研究已有的文献，需要对催化剂各组分 的功能和作用的模型认识。
二. 催化剂设计的科学方法
1. 总体性的考虑
热力学分析—— 反应的可行性、最大平衡 产率、最佳反应条件
反应条件参数 —— 温度、压中的实际问题 —— 设备材质、爆炸范围
O2分子：
分子式解离活化、原子式解离活化，有多种可能形式。
O2 (gas) ↓↑
O2(physisorption)
2O-(dissociated ads.)
e↓↑
e↗↙ 2e↘↖
O2-(associated ads.) e↘↖
2 O= (dissociated ads.) 2e↗↙ ↘↖
O2=(associated ads.) 2 O=(lattice)
l 按工艺和工程特点：——多相固体催化剂、
均相络合物催化剂、酶催化剂
3.工业催化剂设计与相关科学技术的关联
工业催化
l 化学工程学：传质、传热、反应器设计、过程经济评 价、工程放大技术
表面科学：吸附、脱附、表面分析、晶面结构模型 l 固体化学、无机材料学：载体、助催化剂 l 金属有机化学、配位化学：均相络合催化剂、金属离
6．催化剂配方
工业上经常使用的多组元催化剂中，除了 有催化作用的组分以外，有的组分是为了改善 催化剂微观或宏观结构、催化剂强度、寿命等。 甲醇氧化制甲醛催化剂：
Fe2(MoO4)3 , MoO3 虽然都有催化活性， 但是单独使用效果不好，MoO3 和Fe2(MoO4)3 在反应器操作条件下均容易挥发、失去表面积， 降低选择性；二者共同使用时，催化剂寿命大 大提高，已成为工业实用配方。
3.最可几催化剂
借鉴类似反应已有的研究成果：例如，
选择性氧化（钼酸盐、钒酸盐等），加 氢（钯）。
主反应，可能的副反应，生成途径， 相关表面化学。
钼酸盐催化氧化丙烯制丙烯醛:
副产物——丙烯醇、丙烯酸、丙酮；乙醛、乙
酸、乙酸丙烯酯；深度氧化产物CO, 等。
CO2,
H2O
3.最可几催化剂
主要组分、次要组分、二者互相匹配： B密B好ii22度 。OM3，o-M3O可o1O生2,3b成体-B三系i2种：M钼有o2O酸效9,盐地以：增b加-g-B了Bi2iM晶2Mo格o2OO氧95活,的a性电- 最子 是否选择载体：活性组分分散情况、催化剂强 度、物性、成型方法。载体材料的稳定性，如：
实例1: N2O的催化分解
反应式:
2 N2O → 2 N2 + O2
表面反应: N2O + e- (自催化剂) → N2 + O-(ads)
O-(ads) + N2O → N2 + O2 + e-(去催化剂)
如控制步骤为(1): 容易提供电子 n-型半导体;
如控制步骤为(2): 容易接受电子 p-型半导体
5.金属-载体相互作用
l 金属微粒与载体之间的电子相互作用—— 强相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）: 上的Ti金O2属, N与b2载O体5, 之Ta间2O的5, 强V2相O5互等作可用还,原使性金氧属化具物 有特殊的催化活性和吸附性能。 这些载体表面的金属原子的壳层电子能级与 体相相比发生位移，电荷由载体向金属发生转 移，其作用远大于润湿作用，金属粒子的表面 形貌发生了很大变化，呈二维或筏状排列，从 而大大改变了活性和选择性。
选择次要组分
经验法
机械模仿法
载体
最佳结构选择
催化剂组分
各种要求是否矛盾？ 最优化
反应器选择 物理性能
THE IDEAL ECONOMIC+TECHNICAL EVALUATION