催化剂制备原理
08 催化剂制备基本原理
催化剂制备方法的复杂性 催化剂是催化工艺的灵魂，制备方法很多，尽管原料和用量完全 相同，但所值得的催化剂性能可能有很大的差异。 制备过程比较复杂，许多微观因素较难控制，目前科学水平还不 足以说明催化剂的奥秘； 催化剂的生产技术高度保密，影响了制备理论的发展。制备方法 在一定程度上还处于半经验的探索阶段。
目前工业上使用的催化剂，大多数是固体催化剂，本章介绍 的催化剂制备，除特别指出者外，都限于此类型。 催化剂制备一般经过三个步骤： (1) 选择原料及原料溶液配制。选择原料必须考虑原料纯度( 尤其是毒物的最高限量)及催化剂制备过程中原料互相起化学作 用后的副产物(正、负离子)的分离或蒸发去除的难易。 (2) 通过诸如沉淀、共沉淀、浸溃、离子交换、化学交联中 的一种或几种方法，将原料转变为微粒大小、孔结构、相结构 、化学组成合乎要求的基体材料。 (3) 通过物理方法(诸如洗涤、过滤、干燥、再结晶、研磨、 成型)及化学方法(诸如分子间缩合、离子交换、加热分解、氧 化还原)把基体材料中的杂质去除，并转变为宏观结构、微观结 构以及表面化学状态都符合要求的成品。
负载型催化剂制备方法 浸渍法中最通常是把活性组分的金属盐水溶液添加到具有 所要求特性的载体中使其浸渍，然后干燥、煅烧、活化。 活性组分在孔内外的分散状态，与浸渍液的浓度，所加浸 渍液的体积与孔容的比率，浸渍方法与时间，干燥方法， 有无其它竞争吸附剂、杂质的存在等有关。
载体的选择
不同载体对镍催化剂也有明显的影响。已知下列催化剂中Ni 的比表面的顺序为：Ni-SiO2＞Ni-Al2O3＞Ni-SiO2-Al2O3，但 是这些催化剂对乙烷的加氢裂解的活性顺序为：Ni-Al2O3＞ Ni-SiO2＞Ni-SiO2-Al2O3，可见Ni-Al2O3活性较高的原因不是 比表面所引起，而可能是所提供的原子簇配位络合态不同。 在工业催化剂中，对高温或强放热反应，主要是要考虑催 化剂的耐热性，因而应选用载体的高温稳定相
固体催化剂制备原理
固体催化剂制备原理1.固体催化剂的原理固体催化剂的作用原理主要涉及到催化剂表面上的活性中心和反应物之间的相互作用过程。
催化剂的活性中心通常是一些具有特定结构和化学性质的表面位点或团簇，它们能够吸附反应物分子，并且在表面上发生化学反应，从而加速反应物之间的相互转化。
在催化剂作用下，反应物分子在活性中心上发生吸附、解离、重组等过程，从而形成新的反应产物。
固体催化剂的活性中心通常具有特定的结构和化学性质，这些特性决定了催化剂对特定反应的催化活性和选择性。
催化剂的化学成分、晶体结构、表面性质等因素都会影响其活性中心的性质。
因此，固体催化剂的制备需要考虑到这些因素，通过选择合适的材料和合适的制备方法，来调控催化剂的表面性质和活性中心的性质，从而实现对特定反应的高效催化。
2.固体催化剂的制备方法固体催化剂的制备方法主要包括物理方法、化学方法和物理化学方法等几种。
物理方法主要是利用物理手段，通过物理过程来制备催化剂，如物理吸附、离子交换、溶胶-凝胶法、固体磺酸法等；化学方法主要是利用化学反应来制备催化剂，如沉淀法、共沉淀法、沉淀-还原法等；物理化学方法则是结合了物理和化学手段，比如物理化学合成法、模板法、微波辐照合成法等。
物理方法是通过物理作用，改变原料的物理性质而实现催化剂的制备。
此类方法适用于制备无机氧化物和复合催化剂。
化学方法是通过化学反应，改变反应物质的化学性质从而制备催化剂。
此类方法适用于制备金属催化剂和贵金属催化剂。
物理化学方法是结合了物理和化学手段，通过物理方法改变原料物理性质，再通过化学反应改变化学性质从而实现催化剂的制备。
此类方法适用于复杂结构的催化剂。
3.固体催化剂的制备原理固体催化剂的制备原理主要涉及到催化剂材料的选择、合成方法的选择和制备过程的条件控制。
首先是选择合适的催化剂材料，催化剂材料一般应具有高的比表面积、良好的热稳定性、合适的孔结构和丰富的活性中心。
其次是选择合适的合成方法，根据所需的催化剂性质和应用需求，选择合适的合成方法。
催化剂设计基本原理与新思路
催化剂设计基本原理与新思路概述催化剂是现代化学工业中不可或缺的重要角色。
它们在化学反应中能够提高反应速率，并在不被消耗的情况下参与其中。
催化剂的设计和开发对于生产高效、环保和可持续的化学品至关重要。
本文将探讨催化剂设计的基本原理，并介绍一些新的思路和方法，以提高催化剂的性能和效率。
催化剂设计的基本原理催化剂的设计基于物理化学原理，主要包括以下几个方面：1. 活性位点：催化剂的活性位点是催化反应发生的关键。
通过对反应物和催化剂的相互作用进行研究，可以确定活性位点的位置和性质。
常见的活性位点包括金属中心、缺陷位点和表面吸附位点等。
了解活性位点对催化剂的设计至关重要。
2. 反应路径：催化剂通过提供反应路径来降低反应的活化能，从而促进化学反应。
通过理论计算和实验研究，可以确定反应的最佳路径和关键过渡态，以便更好地设计催化剂。
深入了解反应路径有助于优化催化剂的性能。
3. 反应机理：理解催化反应的机理对于催化剂设计至关重要。
了解反应中的中间体和过渡态有助于选择合适的催化剂，并预测其性能。
通过实验和计算模拟，可以揭示催化反应的细节，为催化剂设计提供基础。
4. 催化剂载体：催化剂通常以载体的形式存在，载体可以提供活性位点的支撑和稳定。
设计合适的载体材料可以提高催化剂的稳定性和选择性。
常用的载体材料包括氧化物、金属等。
5. 反应条件：催化剂的设计还需考虑反应条件的影响。
温度、压力、反应物浓度等条件可以影响催化反应，因此应对反应条件进行优化。
合理调节反应条件可以提高催化剂的效率。
新思路和方法催化剂设计领域正不断涌现出新的思路和方法，以推动催化剂的发展和应用。
以下是几个最新的研究方向：1. 单原子催化剂：单原子催化剂是一种新兴的催化剂形式，其活性位点是单个原子。
这种催化剂具有高活性和选择性，并且可以降低催化剂中稀有贵金属的使用量。
通过合理设计催化剂结构和表面组成，可以实现单原子催化剂的制备和应用。
2. 新型材料：新型催化剂材料的开发是提高催化剂性能的重要途径。
模板法制备催化剂
模板法制备催化剂
模板法是一种常见的催化剂制备方法，其基本原理是利用一种模板分子在溶液中形成特定结构，然后通过化学反应将该结构转化为催化剂。
这种方法具有以下优点：
1. 可以制备具有特定结构和形貌的催化剂，从而调控其催化性能。
2. 模板分子可以在催化剂制备过程中充当模板和结构因子，从而提高催化剂的稳定性和活性。
3. 模板法可以制备大规模的催化剂，适用于工业化生产。
常见的模板法包括硅基模板法、介孔模板法、胶体模板法等，其中最常见的是硅基模板法。
该方法的基本步骤包括：先制备模板分子，然后通过溶胶-凝胶法或水热法等将前驱体沉淀在模板分子表面，最后通过高温煅烧或酸/碱脱模等将模板分子去除，形成具有特定结构和形貌的催化剂。
模板法制备的催化剂已广泛应用于催化加氢、催化氧化、催化裂解、催化重整等领域，并取得了良好的效果。
随着该方法的逐渐成熟和完善，相信将会有更多的优秀催化剂诞生。
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工业催化--第八章 工业催化剂制备原理
– 待沉淀析出后，加入较大量热水稀释，以减少杂 质在溶液中的浓度，同时使一部分被吸附的杂质 转入溶液。
加入热水后，一般不宜放置，而应立即过滤，以防沉 淀进一 步凝聚，并避免表面吸附的杂质包裹在沉淀内 部不易洗净。
洗涤操作的主要目的是除去沉淀中的杂质。
均匀沉淀法常用的类似沉淀母体见下表：
4、浸渍沉淀法
浸渍沉淀法是在普通浸渍法的基础上辅以沉淀 法发展起来的一种新方法。
– 待盐溶液浸渍操作完成之后，再加沉淀剂，而使待 沉淀组分沉积在载体上。
5、导晶沉淀法
借助晶化导向剂(晶种)引导非晶型沉淀转化为 晶型沉淀的快速而有效的方法。
– 普遍用来制备以水玻璃为原料的高硅钠型分子筛， 包括丝光沸石，Y型与X型合成分子筛。
对沉淀剂选择有以下要求：
(1) 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂
– 常用的沉淀剂有：
碱类(NH4OH、NaOH、KOH)； 碳酸盐[(NH4)2CO4、Na2CO4、CO2]； 有机酸(乙酸、草酸)等。 最处理常时用容的易是除NH去4O，H一和般(N不H会4)2遗CO留4，在因催为化铵剂盐中在，洗使涤催和化热剂
如此反复溶解、沉积的结果，消除了细晶体，获得了颗 粒大小均匀的粗晶体。
此时孔隙结构和表面积也发生了相应的变化。
–粗晶体表面积较小，吸附杂质少，吸留在细晶粒之 中的杂质也随溶解过程转入溶液。
– 老化的时间、温度及母液pH值等为老化应考虑的 几项影响因素。
在晶形催化剂制备过程中，老化对催化剂性 能的影响显著。
凝胶法特别适用于主要成分是氧化铝或二氧化 硅的催化剂或载体。
凝胶过程大致可分为缩合与凝结二个阶段。
第九章 催化剂制备基本原理资料
第九章催化剂制备基本原理第一课时：固体催化剂一般制备方法及晶体沉淀过程教学目的：了解固体催化剂孔结构与反应的关系及晶体沉淀过程教学难点：晶体沉淀过程知识重点：孔结构与反应的关系及晶体沉淀过程优良的工业催化剂须具有活性、选择性好，寿命长，机械强度高，容易再生，成本价廉，原料自给等各方面的先进指标。
要达到这些指标，都要经历一个周密的筛选和反复试制的过程。
已经投产的催化剂，也有必要通过改造、革新，不断地提高上述某一方面或几方面的性能。
以前研制一种催化剂，要经过数以万计的配方试验，盲目性很大，然而，半个多世纪以来，人们从大量的实践经验逐渐总结出了催化剂的制备规律，并通过基础研究的配合，逐渐建立起有一定科学依据的催化反应与催化剂的分类；而且由于有了比较有效的现代物理、化学的检验和评价方法，现在催化剂制备中的盲目性大大地减少了。
目前工业上使用的催化剂，大多数是固体催化剂，本章介绍的催化剂制备，除特别指出者外，都限于此类型。
催化剂制备一般经过三个步骤：(1) 选择原料及原料溶液配制。
选择原料必须考虑原料纯度(尤其是毒物的最高限量)及催化剂制备过程中原料互相起化学作用后的副产物(正、负离子)的分离或蒸发去除的难易。
(2) 通过诸如沉淀、共沉淀、浸溃、离子交换、化学交联中的一种或几种方法，将原料转变为微粒大小、孔结构、相结构、化学组成合乎要求的基体材科。
(3) 通过物理方法(诸如洗涤、过滤、干燥、再结晶、研磨、成型)及化学方法(诸如分子间缩合、离子交换、加热分解、氧化还原)把基体材料中的杂质去除，并转变为宏观结构、微观结构以及表面化学状态都符合要求的成品。
在这些步骤中涉及化学过程(晶形沉淀或共沉淀，胶凝或共胶凝，复分解，氧化还原，表面官能团交联)，流体动力学过程(液体混合，悬浮液分离、扩散、沉降)，热过程(加热、冷却、蒸发、凝缩、结晶、吸附、干燥、灼烧)，以及机械过程(固体物料的混合、研磨、选粒、成型)。
本章主要叙述制备中为达到一定的宏观与微观结构所要求的化学过程原理及其有关流体动力学过程、热过程、机械过程的某些必要知识。
催化剂制备原理-浸渍法
干燥与煅烧过程
在浸渍完成后，需要对载体进行干燥和煅烧以去除溶剂和增加活性成分的稳 定性。适当的干燥和煅烧条件可提高催化剂的催化性能。
渍法的优缺点
优点
简单易操作 适用于不同类型的载体 可实现高负载量
缺点
活性成分分布不均匀 浸渍液挥发会导致固体堆积 煅烧过程可能导致部分活性成分丧失
浸渍法在催化剂制备中的应用
催化剂制备原理-浸渍法
浸渍法是一种常用于催化剂制备的方法。它通过将活性成分沉积到载体表面， 以实现催化剂的制备。
浸渍法的基本原理
浸渍法通过将溶液中的活性成分与固体载体接触，使其沉积在载体表面，最终形成催化剂。该方法能够实现活 性成分的均匀分布和高负载量。
浸渍法的操作步骤
1. 选择合适的载体和活性成分 2. 将载体浸入含有活性成分的溶液中 3. 控制浸渍时间和温度 4. 取出浸渍后的载体并进行干燥
浸渍剂的选择与使用
浸渍剂的选择取决于活性成分和载体的特性。常用的浸渍剂包括溶剂、络合 剂和表面活性剂。不同浸渍剂会对制备催化剂的性能产生影响。
浸渍剂浓度与固体/溶液质量比的影响
浸渍剂浓度和固体/溶液质量比会影响催化剂的负载量和分布均匀性。较高的浸渍剂浓度和适当的质量比可以 增加催化剂的活性和稳定性。
1
催化剂制备
浸渍法可用于制备各种类型的催化剂，如
催化反应
2
贵金属催化剂、氧化物催化剂和复合催化 剂。
浸渍法制备的催化剂常用于催化反应，如
氧化、加氢和裂解等。
3
环境保护
浸渍法制备的催化剂在环境保护领域中具 有重要应用，如废水处理和废气净化。
催化剂制备原理-浸渍法
Pt/Al2O3
Al2O3
Impregnation of -Alumina with Pt (from H2PtCl6)
• 浸渍法分类
➢ 过量浸渍法：将载体浸渍在过量溶液中，溶液体积大于载体可吸 附的液体体积，一段时间后除去过剩的液体，干燥、焙烧、活化
➢ 等体积浸渍法：预先测定载体吸入溶液的能力，然后加入正好使 载体完全浸渍所需的溶液量（实际采用喷雾法——把配好的溶液 喷洒在不断翻动的载体上，达到浸渍的目的）
➢ 浸渍液浓度
Impregnation of -Alumina with Ni (from Ni(NO3)2)，浸渍时间 0.5 h
低浓度浸渍溶液和较长浸渍时间有利于活性 组分在载体孔内均匀分布
on + d• iff浸usi渍on后的热a处dso理rdpiftfiuosnion
➢ 干燥过程中活性组分的迁移
➢ 浸渍时间
Impregnation of -Alumina with Ni (from 1.0 M Ni(NO3)2)
Increasing impregnation time Pt/Al2O3
Al2O3
Impregnation of -Alumina with Pt (from H2PtCl6)
• 浸渍影响因素
a VpC 100% 1 VpC
载体比孔容，ml/g
浸渍液浓度（以氧化物计），g/ml
浓度过高，活性组分在孔内分布不均匀，易得到较粗的金属颗 粒且粒径分布不均匀
浓度过低，一次浸渍达不到要求，必须多次浸渍，费时费力
• 浸渍过程
Solution flow into pores
adsorption
Adsorption/desorption + diffusion
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1．什么是催化剂，什么是催化作用，催化剂的特性。
催化剂是一种物质，能加速反应速率而不改变反应的标准Gibbs自由焓变化。
在催化剂参与下的化学反应。
在催化反应中，催化剂与反应物发生化学作用，改变了反应途径，从而降低了反应的活化能，得以提高反应速率。
催化剂的特性：加快反应速度，但不进入化学反应计量，对反应有选择性，只能加速热力学上可能的反应，不改变平衡位置，催化剂有一定寿命。
2．催化剂的价格指标有什么？
3．催化剂的评价指标
活性，选择性，稳定性，寿命
4．名词解释，比表面积，比孔容，孔隙率。
比表面积：单位质量催化剂所具有的表面积
比孔容积：1g催化剂中颗粒内部细孔的总体积
孔隙率：催化剂内细孔的体积占颗粒总体积的分数
5．催化剂的制备方法
浸渍法，沉淀法，混合法，沥滤法，熔融法，水热合成法，离子交换法6．催化剂密度有几种表示方法，如何测定
7．催化剂的稳定性
化学稳定性，耐热稳定性，抗毒稳定性，机械稳定性
8．固体催化剂的一般组成。
9．浸渍法：将一中或几种活性组分载于载体上，通常是将载体与金属盐类的谁溶液接触，使金属盐类溶液吸附或贮存在载体的毛细管中，然后除去过剩的溶液，经过干燥，煅烧和活化即可得到催化剂
10．催化剂载体的作用
11．沉淀法：将金属盐溶液和沉淀剂分别加入不断搅拌的沉淀槽中，生成固体沉淀，经洗涤，过滤，干燥，煅烧，活化制得。
12．影响晶体长大的因素，晶体的大小和数量怎样影响晶体长大？
过饱和度，搅拌，晶种，温度，杂质。
加入晶种的大小应该与溶液的过饱和度相适应，晶粒过小，就可能溶解，起不到晶种的作用。
晶粒用量过多，溶液的过饱和度不足以使晶核充分长大，也得不到大颗粒晶体。
13．什么是沉淀物老化，老化过程中发生的变化
沉淀法生产催化剂时，沉淀反应终了后，沉淀物与溶液在一定条件下还要接触一段时间，在这期间，沉淀物的性质随时间变化，所发生的不可逆结构变化称为老化。
老化形式：颗粒长大，晶型完善及转变，凝胶的脱水收缩。
14．提高凝胶脱水收缩程度的措施有哪些
提高老化温度，延长老化时间，在碱介质中老化
15．因共沉淀而引入杂质的具体途径有那些
因吸附引起的共沉淀，因生成固溶体产生的共沉淀，包藏或吸留共沉淀16．在不饱和溶液内均匀的得到沉淀的方法通常有那些
在溶液中进行包含氢离子变化的缓慢的化学反应，逐渐提高溶液的PH值，使溶解度逐渐下降而析出沉淀，借助形成或放出沉淀离子的反应提高沉淀离子的浓度。
17．沉淀物的洗涤需要注意哪些问题
溶解度较大的沉淀物，用沉淀剂的稀溶液洗涤，只有易分解或具有挥发性的沉淀剂才能使用。
溶解度相当小的非晶态沉淀物，采用含电解质的稀溶液洗涤，避免沉淀物分散成胶体。
沉淀物的溶解度很小，又不易生成胶体，用蒸馏水或去离子水洗涤。
热洗涤溶液将易沉淀物洗干净，还能防止产生胶体溶液，也易通过滤布。
18．浸渍法制备催化剂是对载体有哪些要求
适应反应过程的形状和大小，足够的机械强度，足够的比表面，合适的孔结构和吸水率，足够的稳定性，耐热，合适的传热系数，不能使催化剂中毒或增加副反应，原料易得，制备方便。
19．名词解释，润湿现象：液体与固体接触时，有的立即铺展覆盖整个表面，有的则仍然团聚成凸透镜状，当液体对固体的吸引力大于液体本身的内聚力时，液体就会在固体表面展开来。
20．什么情况下适合使用混合法制备催化剂，这种方法的优缺点
21．吸附法的特点
金属负载催化剂，金属晶粒细小，粒径分布范围窄，活性高，作为活性组分的溶质，必须有一定的吸附能力，具有吸附活性的组分溶质很容易被载体吸附，吸附速度很快。
22．举例说明熔融沥滤法制备催化剂的流程
固体粉碎—高温熔融或烧结—冷却—破碎成一定粒度
合成氨催化剂合成：磁铁矿、碳酸钾、氧化铝—1600℃熔融—液态混合物—冷却—粉碎—颗粒—还原—催化剂
23．煅烧过程中催化剂发生的变化有哪些
热分解除去化学结合水、二氧化碳、氮氧化物等挥发性杂质，生成有催化活性的化合物，在较高温度下氧化物还可能发生固相反应，形成具有活性的化合状态。
通过分解产物的再结晶，得到一定晶型，晶粒大小，孔结构和比表面。
通过高温下的热移动，可能形成晶格缺陷或因外来离子的嵌入，使化合物的化学价态发生变化，使催化剂具有活性。
使微晶适当烧结，提高催化剂机械强度。
24．名词解释：tamman 温度：开始发生烧结时的温度，固体熔融温度绝对温标的2/3。
25．烧结：固体加热到一定温度时（低于熔点），固体微晶或颗粒粘接成聚集体的过程
26．还原过程中如何提高金属微晶的还原度和分散度
在不发生烧结的前提下，尽可能地提高还原温度（特别是还原初期）。
使用较高的氢空速。
尽可能的降低还原气体中的水蒸气分压。
27．简述合成氨催化剂的制备过程，属于何种制备方法，并说明其作用28．纳米材料的特性：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应
29．加氢反应的特点：绿色化学反应，原子经济性高，产品收率高，质量好，反应条件温和，设备通用。
30．什么是染多酸：杂多酸（Heteropoly Acid，简写为HPA ）是由杂原子（如P、Si、Fe、Co等）和多原子（如Mo、W、V、Nb、Ta等）按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸，具有很高的催化活性，它不但具有酸性，而且具有氧化还原性，是一种多功能的新型催化剂，杂多酸稳定
性好，可作均相及非均相反应，甚至可作相转移催化剂，对环境无污染，是一类大有前途的绿色催化剂，它可用作以芳烃烷基化和脱烷基反应、酯化反应、脱水/化合反应、氧化还原反应以及开环、缩合、加成和醚化反应等。
31．商品还原镍催化剂的制备采用的是何种方法，如何保存该催化剂，骨架镍催化剂一般采取什么方法保存
还原镍催化剂：硝酸镍、硅藻土混合蒸干—三氧化二铝、NiO热分解（400-500℃）—氢气还原
骨架镍催化剂：三水氧化铝—Ni-Al合金与水一起加热、熔融合金—NaOH溶液加入
32．试解释工业上制备氢氧化物沉淀时，在含金属盐溶液中加入尿素并加热的原因
33．催化剂的组成：单组元催化剂，多组元催化剂（主催化剂，共催化剂，助催化剂，载体）
34．助催化剂：加到催化剂中的少量物质，本身没有活性或者活性很低，但能显著改变催化剂效能（结构型，调变型，扩散型，毒化型）
35．载体的作用：分散，稳定化，支撑，传热和稀释，助催化
36．沉淀剂的选择要求：形成沉淀物的溶解度要小，沉淀剂本身的溶解度要大，尽可能不带入不溶性杂质
37．浸渍液的选择：活性组分的金属盐易溶于水，浸渍后，煅烧时能分解为所需要的活性组分，或还原后变成金属活性组分，无用的组分特别是对催化剂有毒的物质在热分解或还原过程中挥发除去。