催化剂制备原理：1第一章 绪论
催化作用原理(第一、二章)
催化作用原理《催化作用基础》课程名称：《催化作用基础》或《催化作用原理》或《催化剂与催化作用》绪论第一章催化剂与催化作用的基本知识第二章催化剂的吸附、表面积和孔结构第三章金属催化剂及其催化作用第四章半导体催化剂及其催化作用第五章酸碱催化剂及其催化作用第六章配位络合物催化剂及其催化作用第七章催化剂的评价及失活与再生第八章催化剂的设计和制备专题讲座： 1. 择形催化与高选择性催化分子筛材料2. 芳胺N-烷基化反应及其催化剂研究3. 钛硅（TS-1）分子筛的合成及催化应用4. 催化新材料：MCM-41等#现代物理测试手段与催化剂的表征：XRD，SEM，IR，NMR，UV-Vis，UV-Raman，NH3-TPD等——催化剂及其催化作用的基础研究参考书目1.王桂茹主编，王祥生审，《催化剂与催化作用》,2000年8月第1版大连理工大学出版社出版[王桂茹，李书纹编（大连工学院石油化工教研室）（讲义） 1986年] 2.吉林大学化学系《催化作用基础》编写组编，《催化作用基础》 1980年科学出版社出版3.黄开辉，万惠霖编（厦门大学化学系），《催化原理》 1983年科学出版社出版4.顾伯锷，吴震霄编，《工业催化过程导论》 1990年高等教育出版社出版5.王文兴编，《工业催化》 1982年化学工业出版社出版6.闵恩泽著，《工业催化剂的研制与开发——我的实践与探索》，1997年中国石化出版社出版7.陈连璋编著，《沸石分子筛催化》 1990年大连理工大学出版社出版8.徐如人，庞文琴，屠昆岗等著，《沸石分子筛的结构与合成》1987年吉林大学出版社出版9.天津大学编，〈〈多相催化作用原理〉〉10.高滋主编，何鸣元，戴逸云副主编，《沸石催化与分离技术》，中国石化出版社，1999年11月第1版；* 讲述内容；学习方法：学什么？怎么学？绪论一.催化剂与催化作用的重要性1.使用催化剂的工业部门现代化学工业、石油炼制、石油化学工业、食品工业、环境保护等2.没有现代催化科学的发展和催化剂的广泛使用就没有现代化的化学工业。
催化剂制备方法PPT课件
过 滤
干燥
洗 涤
Na型 丝光
沸石
18
浸渍法
将载体放进含有活性物质的液体中浸渍
载体（如Al2O3）的沉淀 洗涤干燥 载体的成型 用活性组份浸渍 干燥
焙烧分解
活化还原
2021
负载型金属催化剂
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浸渍法的原理
活性组份在载体表面上的吸附 毛细管压力使液体渗透到载体空隙内部 提高浸渍量（可抽真空或提高浸渍液温度） 活性组份在载体上的不均匀分布
粉末细，成型后机械强度高，但成球困难 加入粘合剂（水），量少成球时间长，量
大时造成多胞，难成球 加大转盘转数和倾斜度，粒度下降；转盘
深，粒度大
2021
47
固体催化剂制备方法进展
超细粒度催化剂
– 超细粒子在纳米尺度时的表面效应
– 反应中的扩散行为
– 催化剂活性增强
溶胶凝胶法
– 多组分在胶体中分布均匀
加热到90-100 0C尿素， 同时释放出OH-
2021
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导晶沉淀法
借助晶化导向剂引导非晶型沉淀转化为 晶型沉淀
X,Y分子筛 合成
分子筛合 成原料
加晶种 晶化
2021
无定型物 转
X，Y晶体 化
高结晶度
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沉淀时金属盐类的选择
一般选用硝酸盐（大都溶于水） 贵金属为氯化物的浓盐酸溶液 铼选用高铼酸（H2Re2O7）
金属盐溶液
NaOH(Na2CO3)
沉淀
活
洗涤 干燥 焙烧 研磨 成型
化
催化剂
2021
8
单组分沉淀法
制备非贵金属的单组分催化剂或载体
Al3+ + OH-
载体Al2O3
MoS2电催化剂的制备及性能研究-第一章-绪论
MoS2电催化剂的制备及性能研究-第⼀章-绪论第1章绪论1.1 课题背景及研究的⽬的和意义从⼑耕⽕种的原始社会到科技发展⽇新⽉异的今天，⼈类的⽣存及发展都与能源的消耗息息相关。
能源是⼈类社会发展的基础，也是限制社会发展的重要因素。
随着煤、⽯油、天然⽓等化⽯能源的急剧消耗，探索新能源已经迫在眉睫。
为了⼈类社会的可持续发展，各国都在⼤⼒开发可再⽣能源，以最⼤限度地减少有害物质和温室⽓体排放，从⽽实现能源⽣产和消费的⾼效、低碳、清洁发展。
近年兴起的太阳能、风能、核能等可再⽣能源⼜存在随着地域和时间等变化⽽涨幅不定等诸多问题。
因此探索稳定且可直接为⼈所⽤的电能或燃料能源已成为⼈们迫切需要解决的问题[1]。
图1-1 清洁能源的利⽤氢⽓，作为⼀种⾼效、洁净⽆污染的能源，在地球上有丰富的储备，且制备⽅法多种多样。
这些优点⾜够让它成为继化⽯能源后，⼈们所依赖的最重要的能源之⼀[2]。
要想发展氢⽓这种清洁能源，制氢当然是第⼀个需要解决的问题。
制氢的⽅法⼤概分为两⼤类，即化⽯燃料制氢和可再⽣能源制氢。
⽽使⽤化⽯燃料制氢过程中会不可避免地产⽣⼆氧化碳等温室⽓体。
因此使⽤清洁⽅式制氢便成为了科学家们研究的瓶颈。
众所周知⽔中含有⼤量的氢元素，通过电解⽔制取氢⽓是实现氢⽓量产的有效途径[3]。
作为析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)的催化剂，贵⾦属Pt具备极低的过电压和⾼效的催化活性，被⼴泛应⽤于HER中。
但因Pt的资源稀缺性和⾼昂价格，开发⾼性能低成本的HER催化剂仍然具有相当⼤的挑战性。
寻找⼀种替代贵⾦属的优良催化剂是解决该问题的最好途径。
近年来科学家们将⽬光聚焦在过渡⾦属催化性能的研究上，过渡⾦属的纳⽶材料如锰、钴、镍、钼等均表现出⼀定的析氢反应催化性能[4]。
其中，MoS2因其具有类⽯墨烯的⼆维结构⽽备受关注。
MoS2具有近似贵⾦属铂的氢吸附⾃由能，表现了优异的催化析氢性能，且MoS2资源丰富、价格低廉、是潜在的⾼效制氢催化剂。
1第一章 催化剂制备原理-绪论.
8-Oct-18
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酿酒
人类很早就学会利用自然催化过程。如利用酵素 将各种果子酿成美酒
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催化作用的发现（I）
化学变化的概念--拉瓦锡( Lavoisier）的质量守恒定律和化学元素的概念。 基尔霍夫（G.S.C Kirchoff）在1814年研究酸催化淀粉水解为葡萄糖。 戴维（Sir Hum Phry Davy）在1814年发现了煤气在铂上进行氧化反应。
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Irving Langmuir
朗缪尔认为：铂的表面原子必须是在化学上没有饱和，能够与气相分子反应。被称 为Lewis - Langmuir成对键的概念使朗缪尔远远地超出用古老的亲合力观念所能解 释的问题范围。朗缪尔还从他的动力学测量中推出CO的氧化过程，首先是氧气的 解离吸附，接着是非吸附的CO与吸附态氧原子结合。他排除了吸附的CO与表面氧 原子之间的化学反应。现在从在慕尼黑Ertl的研究工作中，显示出，至少在很低的 压力下，反应包含着吸附的CO与表面氧原子反应。也就是说，朗缪尔否定了现在 经常称之为Langmuir-Hinshelwood机理，而接受了Pideal-Eley机理．在正常压 力下，朗缪尔是正确的。朗缪尔的研究工作，使化学家彻底地抛弃了催化力的观念。 由于对各种气体在金属表面上吸附的研究加深了对多相催化作用及其机理的理解， 从而获得1932年度诺贝尔化学奖。
N2 + H2
Fe
NH3
FexN + [H]吸→ FexNH FexNH2 + [H]吸 x Fe + NH3
FexNH + [H]吸→ FexNH2 FexNH3
催化原理(适用于化工工艺专业)
催化原理（适用于化工工艺专业）(Catalysis: Theory & Application)目的和要求催化原理是催化理论和催化实践并重的学科。
它的教学目的是使学生掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学本质和熟悉工业催化技术的基本要求和特征，为化工工艺专业专门人才的培养提供坚实的理论基础。
要求学生在掌握催化化学基本概念和理论的基础上，注重与催化剂的工业应用紧密结合。
基本内容及学时分配绪论（1学时）第一章催化作用与催化剂（共8学时）第一节催化作用的定义与特征（2学时）第二节催化剂的组成的功能（2学时）第三节对工业催化剂的要求（2学时）第四节均相催化与均相催化剂简介（2学时）第二章吸附作用与多相催化（共8学时）第一节多相催化的反应步骤（1学时）第二节吸附等温线（2学时）第三节金属表面上的化学吸附（2.5学时）第四节氧化物表面上的化学吸附（2.5学时）第三章各类催化剂及其催化作用（共10学时）第一节酸碱催化剂及其催化作用（2学时）第二节分子筛催化剂及其催化作用（2学时）第三节金属催化剂及其催化作用（2学时）第四节金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用（2学时）第五节络合催化剂及其催化作用（2学时）第一章至第三章复习（3学时）第四章工业催化剂的制备与使用（共4学时）第一节工业催化剂的制备（2学时）第二节工业催化剂的使用（2学时）第五章工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征（共5学时）第一节催化剂的活性测试的基本概念（1学时）第二节催化剂的活性测试（2学时）第三节催化剂的宏观物性及其测定（2学时）第四、五章复习（2学时）总课时44学时包括35学时授课，5学时复习，4学时参观或实践教材黄仲涛主编，化学工业出版社，1994。
北京主要参考书[1] 李玉敏工业催化原理，天津大学出版社1992 天津[2] 高正中实用催化，化学工业出版社1996 北京[3]吴越催化化学（上、下册），科学出版社1998 北京。
催化剂制备的科学原理
催化剂可以循环使用，提高经济性和减少废物产 生。
催化剂的定义和功能
1 定义
催化剂是一种物质，能够改变化学反应路径，但不参与反应，且在反应结束后能够恢复 原状。
2 功能
催化剂能够提供活性位点，吸附反应物，调整反应物的构型，解离反应物并催化生成新 的物质。
催化剂制备的基本原理
1
选择催化剂原料
纳米催化剂
新材料和纳米技术的发展为制备 高效、选择性和可持续的催化剂 提供了巨大机遇。
计算机辅助设计
通过计算机模拟和模型预测，加 速催化剂的设计和开发过程。
可持续催化剂
绿色催化剂的制备和应用将成为 未来发展的重点，以减少对环境 的影响。
1 沉淀法
通过溶液反应得到固体催化剂，如沉淀、共沉淀和沉积等方法。
2 离子交换法
利用阳离子交换树脂将阳离子催化剂交换出来，得到固体催化剂。
3 凝胶法
通过溶胶-凝胶过程制备催化剂，通过控制溶剂的挥发、胶凝条件和热处理等方法获得高 性能的催化剂。
催化剂制备中的关键考虑因素
催化剂成分
选择合适的催化剂原料和添加 物，以控制催化剂的活性和选 择性。
反应条件
调整温度、压力、反应时间等 的形貌，如颗粒大 小、晶体结构等，对催化活性 具有重要影响。
催化剂制备的挑战与解决方案
• 催化剂活性的提高与稳定性的平衡 • 资源的可持续性与催化剂制备方法的优化 • 催化剂的规模化制备与实际应用之间的转化
催化剂制备的未来发展
选择合适的原料，如金属盐、金属氧化物或有机化合物。
2
催化剂的激活
采用不同的激活方法，如还原、氧化或阳离子交换，使催化剂具备活性。
3
控制催化剂形貌
通过调控反应条件和添加催化助剂，控制催化剂的表面形貌，以提高催化性能。
工业催化第一章绪论
1957年Ziegler-Natta发明了用于烯烃聚合的 催化剂体系的研究，使聚烯烃的大规模生产成 为可能，推动了以塑料工业为标志的高分子材 料工业的崛起， Ziegler-Natta分享了1963年 生产各种高分子材料（工程塑料、橡 胶和功能高分子材料）
1.5.2 多相催化反应类型
1.6 催化科学的特点
1)发展迅速。 （2）多学科渗透 （3）实践性较强 （4）不断创新
高比表 面 载 体
多相催化(Heterogeneous or multiphasic ) catalysis
催化作用合成了氨气，解 决了全世界粮食问题
新能源技术中的催化作用
电化学和光电化学中的催化剂（燃料电池、光敏化 电池、太阳能电池等） 电动汽车 天然气催化氧化——未来能源科技的核心
基于太阳能的可再生能源系统规 模化应用途径
光伏发电 光热利用
光解制氢
氢燃料发动机 规模化应用 氢燃料电池
电催化：
燃料电池电极催化反应过程
氢的阳极氧化: 2H2-4e-→4H+ 氧的阴极还原: O2 + 4H+ + 4e- →2H20
2) 线性组合三原则 a) 对称性一致原则 对核间连线呈相同的对称性的轨道可组合， 除上述讲的 s-s, p-p 之外，还有:
b) 能量相近原则
H 1s -1312 kJ/mol Cl 3p -1251 kJ/mol O 2p -1314 kJ/mol Na 3s - 496 kJ/mol
c) 最大重叠原理
1) 分子轨道由原子轨道线性组合而成
分子轨道的数目与参与组合的原子轨道 数目相等。H2中的两个 H 有两个原子轨道， 可组合成两个分子轨道。
催化作用基本原理1
31
精细化工产品的第二 代绿色 生产技术正在开发
• 烃类氧化的“原子经济”反应正在改进 • 替代剧毒光气等原料的绿色技术，研究降低成
本 • 开发新一代苯与烯烃烷基化无毒无害固体酸催
化剂
烃类氧化的“原子经济”反应正在改进
20世纪80年代发明钛硅分子筛作为催化剂 采用H2O2为氧化剂 实现下列“原子经济”反应
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
催化概念(Catalyst and Catalysis)
催化剂是一种可以改变一个化学反应速度物质。
催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度，却不改变化学 反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学 物质。
催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。
催化科学和技术发展-发展期
1900年代（合成氨） 1820-1900年无数尝试失败 1904-1907年，Osterwald (1909), Nernst (1920) 和
Handbook of heterogeneous catalysis
1、有关催化剂设计、制备技术 催化剂设计 唐新硕 催化剂工程 储伟 催化剂制备过程技术 张继光 催化剂设计与制备工艺 许越 Catalyst Manufacture – Laboratory and Commercial Preparations, A.V. Stiles Catalyst preparation: Science and Engineering, John Regalbuto
2014级化工卓越
催化作用基本原理
主讲人：孙长勇 （工四610）
QQ：1905937209 Tel：13825185499
叶飞
卓越，我该做什么？
教材
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➢Berzelius (1836) 通
过一系列化学实验， 创 造 了 “ catalysis” 一词,给催化一个初步 的定义Leabharlann 28-Feb-2118
催化作用（III）
➢ 1838年，德. 拉·里夫（de la Rive)提出：在铂表面上，首先铂被氧气氧化，然后该氧化 物被氢气还原。他认为没有必要借助于由贝采里乌斯提出的神秘催化力来说明该反应。
催化剂制备原理
1 绪论
➢ 催化剂的重要性 ➢ 催化剂的定义 ➢ 催化发展历史 ➢ 催化剂的评价指标 ➢ 催化剂的制备方法简介
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2
工业催化实习内容
➢ 工艺路线 ➢ 反应原料、组成 ➢ 催化剂 ➢ 了解什么催化剂？
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背景
➢ 催化剂-熟悉而又陌生 ➢ 技术-Technology-Science ➢ 催化剂 ➢ 反应方程式 ➢ 2KClO3(MnO2)===( △)2KCl+3O2↑ ➢ N2+3H2→2NH3(g)
H2O2分解。 ➢ 1834年，法拉第( Faraday）发表了一篇关于氢气和氧气在铂箔上反应的
著名文章，他表征并评价了催化剂的催化活性、失活、中毒和活化，同时 进行了一些反应动力学研究。
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系统的催化研究始 于 19 世 纪 初 ， Davy (1815) 进 行 了 催 化 燃 烧实验。
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催化是什么？
➢催化是一种自然现象，早已在生物体中存在的 现象。生物酶催化是生命的基础（在一个简单 的生物细胞中约有3000个化学反应）
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光合作用
➢光合作用是一种能量储 存与转换方式，叶绿素 将光子吸收后，通过一 系列酶催化过程将CO2和 水转化为人体所能吸收 的糖份
➢ 1858年，有机化学家凯库勒认为，催化剂的作用是使反应物微粒互相接近，削弱了反应 物自身原子间的结合力。
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酿酒
➢人类很早就学会利用自然催化过程。如利用酵素 将各种果子酿成美酒
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催化作用的发现（I）
➢ 化学变化的概念--拉瓦锡( Lavoisier）的质量守恒定律和化学元素的概念。 ➢ 基尔霍夫（G.S.C Kirchoff）在1814年研究酸催化淀粉水解为葡萄糖。 ➢ 戴维（Sir Hum Phry Davy）在1814年发现了煤气在铂上进行氧化反应。 ➢ 泰纳（Thenard) 发现溶液中或以分离相存在的某种少量物质会促进
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Humphry Davy
➢ Sir Humphry Davy (17 December 1778 – 29 May 1829) was a British chemist and inventor. He is probably best remembered today for his discoveries of several alkali and alkaline earth metals, as well as contributions to the discoveries of the elemental nature of chlorine and iodine. He invented the Davy lamp, which allowed miners to enter gassy workings. Berzelius called Davy's 1806 Bakerian Lecture On Some Chemical Agencies of Electricity"one of the best memoirs which has ever enriched the theory of chemistry." This paper was central to any chemical affinity theory in the first half of the nineteenth century.
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催化作用（II）
➢ 贝采里乌斯（Berzelius）于1836年最先用催化作用一词来描述，引用的例子是 淀粉受酸催化水解为葡萄糖，金属离子对过氧化氢分解的影响，及铂在氢气和氧 气反应中的作用等。
➢ 催化（catalysis）一词是由两个希腊字拼成，字首cata- 表示下降，动词lysein 意思是分裂或破碎。贝采里乌斯可能是用“catalysis”一词来表示把阻碍分子 反应的正常力破除掉．他认为催化作用不是一个化学过程。他提出了催化力的概 念来说明催化现象。所有的分子具有一定的剩余亲合力。没有证据表明：任何物 质中，元素的完全吸引的亲合力全部满足，催化剂就是能够把它所拥有的亲合力 加到其它任何物质上，如对于在铂上氢气和氧气的反应，铂通过其表面亲合力浓 缩氧气，然后把它提供给浓缩状态的氢气，就发生结合。贝采里乌斯认为催化作 用是一个物理过程。
➢ 大化学家李比希（Justus von Liebig）也反对贝采里乌斯的观点。他在写给朋友武勒的 信中谈到：“你是否知道，在德国有些俊瓜写了一些书，不经检验就采用了“催化力”， 他们将把这些概念填塞到我们孩子的大脑中。你不认为催化力的整个观念都是错误的吗?
➢ 19世纪20年代，Pfaff提出，催化剂铂比热低，因而能够容易升温到赤热状态，从而引燃 氢氧混合物。但，这个假说不能说明催化剂的选择性，因此，很快就被抛弃了。
金-可以作为催化剂吗？
➢ 黄金数千年来被看 成是永恒不变的， 是对财富和美丽的 至高无上的展示。 其原因在于黄金的 化学惰性，不会与 空气发生反应也不 会受到腐蚀作用。
催化剂？
➢ Au、Ag、Pt、Pd ➢ 一氧化碳氧化(熔点为-199℃，沸点为-191.5℃，其在空
气中混合爆炸极限为12.5%—74%，产生的热值大约在 1000℃左右)。 ➢ 乙烯环氧化生成环氧乙烷 ➢ 丙烯与氢、氧原位生成的双氧水反应生成环氧丙烷 ➢ 苯乙烯与氧直接氧化