催化剂的吸附作用
金属催化剂的催化原理
金属催化剂的催化原理
金属催化剂的催化原理可以分为两个步骤：吸附和反应。
1. 吸附：金属催化剂通常能够吸附反应物分子，使其吸附在金属表面上。
这是由于金属表面的活性位点可以与反应物分子相互作用并形成化学键。
吸附有助于增加反应物的有效浓度，促使反应发生。
2. 反应：吸附在金属表面上的反应物分子可以与其他反应物分子发生反应，生成产物。
金属催化剂能够提供活化能，使反应物分子之间的化学键断裂和形成更容易。
另外，金属催化剂也可以在反应过程中参与反应，形成中间体或生成活性物种，帮助加速反应速率。
金属催化剂的催化原理还与金属的电子结构有关。
金属催化剂通常具有一定的电子密度和可调节的反键电子，这些特性使金属具有一定的催化活性。
金属催化剂的选择性和活性可以通过金属种类、表面结构、晶体面、孔隙结构等参数进行调节。
总结起来，金属催化剂通过吸附和反应的过程，利用金属表面上的活性位点来降低化学反应的活化能，提高反应速率，并且由于它们的可调节性和选择性，可以实现特定反应的催化控制。
化学反应中常见催化剂的机理解析
化学反应中常见催化剂的机理解析催化剂是化学反应过程中广泛应用的一种化学物质，可以加速反应速率、提高反应转化率，并且可以控制反应条件和方向。
在化学工业中，催化剂被广泛应用于化学合成、能源转化和废气处理等领域。
本文将从机理的角度，对常见催化剂的作用过程进行解析。
一、金属催化剂金属催化剂是指以金属为基础元素的催化剂，包括铂、钯、铑、钌、铜等。
金属催化剂能够通过吸附、氧化、还原等方式，控制反应的中间体状态，并调控反应的速率和方向。
其机理主要有以下几种：（一）吸附作用金属催化剂能够通过表面吸附反应物，降低反应物之间的空间隔离度，增加接触概率，提高反应速率。
同时，金属催化剂还能够在反应物分子表面吸附中间体，促进反应的进一步转化。
（二）活性位点作用金属催化剂具有多种表面结构和组成，其中某些位置的催化活性较强，这些位置称为活性位点。
反应物能够在这些活性位点上进行化学吸附、活化和转化，从而增加反应速率和选择性。
例如铂催化剂的CO氧化反应中，Pt表面的不对称位点和边缘位点对反应的速率和选择性有重要影响。
（三）表面氧化还原作用金属催化剂的表面往往含有大量活性氧化物，例如PtO、PdO、CuO等，这些氧化物可以与反应物发生氧化还原反应，加速反应的进行。
在氧化还原反应中，金属原子的价态发生变化，同时也会影响表面吸附反应物的能力。
二、非金属催化剂非金属催化剂是指不含金属离子的催化剂，包括氧化物、硫酸盐、碱金属等。
这些催化剂的机理主要包括以下几种：（一）酸碱中心作用非金属催化剂中，酸碱中心是其催化活性的关键。
酸性催化剂中，酸中心可以通过提供H+，使反应物中的OH-离子被去掉，生成反应的中间体，从而提高反应速率和选择性；碱性催化剂中，碱中心可以接收质子，生成缩合物和中间体，从而促进反应的进行。
（二）表面羟基作用非金属催化剂的表面经常出现羟基（—OH），这些羟基可以与反应物相互作用，形成缩合物和中间体。
同时，羟基还能够促进反应物之间的互相作用，并加速反应的进行。
2催化剂的吸附作用(12)(精)
2.2 催化剂表面结构与吸附和催化性能
催化作用是在表面上进行的，为深入了解催化 作用的本质就必须了解晶体表面结构。 2.2.1 近似真实的表面结构：
从原子尺度看，催化剂表面是不均匀的。
p p 为一直线。若实验数据 当T一定时， V
符合上式，则表明吸附过程属于解离吸附，且符合 朗氏吸附模型。
三、竞争吸附的Langmuir等温式
两种物质A和B的分子在同一吸附位上吸附称为竞争吸 附。 这种吸附等温关系对于分析阻滞剂和两种反应物的表面 反应动力学十分重要。 令A的覆盖率为A，B的覆盖率为B，则表面空位
2.1 催化剂的吸附作用
多相催化过程或气固催化过程，是气体（液体）反
应物在固体催化剂表面上进行的。吸附是反应的必经步 骤，因此，化学吸附与多相催化的关系非常密切。
催化中的吸附总是化学吸附; 化学吸附本身是一复杂过程,分两步进行,即物理吸附和 化学吸附
2.1.1 物理吸附和化学吸附
物理吸附 化学吸附
一、简单的Langmuir吸附等温式
理想的化学吸附模型。
该模型假定：
（1）吸附剂表面是均匀的； （2）吸附分子之间无相互作用； （3）每个吸附分子之间占据一个吸附位， 吸附是单分子层的。
遵循Langmuir等温吸附式的吸附为理想吸附。
Langmuir等温吸附式为：
1
吸附平衡常数
Kp
气体的分压
Kp 即 （2-10） 1 Kp
吸附气体所占据的表面覆盖分率
当p很低时
Kp
1 1 当p很高时 1 1 Kp Kp
吸附等温线图
表面覆盖分率与气体分压p的关系
简述催化剂的组成和作用
简述催化剂的组成和作用催化剂是一种能够促进化学反应速率、提高反应选择性和降低反应温度的物质。
它能够通过提供适当的反应表面或引入更有利的反应路径，使反应能够更加有效地进行。
催化剂的组成通常由底物、反应物和催化剂组成三个部分。
催化剂可以是固体、液体或气体，并且可以是单一物质或混合物，常见的催化剂包括金属、金属氧化物、酸、碱、酶等。
催化剂的作用是通过提供一个表面或者界面用以吸附反应物，从而减小反应物之间的反应活化能，使反应更容易发生。
催化剂与反应物发生吸附后，通过改变反应物的化学键或构象，引发反应物的位置或电子的重排，促使反应物在催化剂表面上发生化学变化，生成中间体或者产物。
这些中间体或产物凭借较低的能垒或者更有利的反应路径，再次进入到催化剂的表面，并释放出来。
催化剂通过提供吸附表面，增大反应的效率和速率。
当反应物吸附到催化剂表面上，反应物之间可以更容易发生碰撞和互相作用，提高反应速率。
此外，催化剂还可以改变反应物的反应途径，降低反应的能垒，使反应的起始能量更低，从而降低反应的活化能，使反应可以在更低的温度下进行。
催化剂还可以提高反应的选择性。
它通过引入更有利的反应路径，促使原本不同的反应物选择性地发生特定的反应，从而产生特定的产物。
例如，催化剂可以选择性地催化异构化、氧化还原、加成、裂解等反应，提高反应的选择性。
催化剂还可以降低反应的温度要求。
在常规的化学反应中，很多反应都需要较高的温度才能进行。
而催化剂可以降低反应的温度需求，使反应可以在较低的温度下进行，这对于降低能源消耗、减少环境污染十分有益。
催化剂在化学工业中具有广泛的应用。
它们在制备化学品、炼油、污水处理、脱硫、催化裂化、催化加氢、制氢和合成氨等过程中起着关键的作用。
催化剂的研究和发展也成为了现代化学领域的重要课题。
总之，催化剂的作用主要是通过提供一个适当的表面或界面，降低反应活化能，促进化学反应的进行。
它们具有提高反应速率、增加反应选择性、降低反应温度等优势，对于实现高效、低能耗、环保的化学反应具有重要的意义。
催化剂的作用
催化剂的作用催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，它通过降低反应的活化能，促进反应物之间的相互作用，从而提高反应速率。
催化剂广泛应用于化学工业、环境保护、能源转化等领域，对促进经济发展、改善生活质量具有重要意义。
一、催化剂的基本原理催化剂在化学反应中起到催化作用的原理主要有两个方面：1. 提供活化位点：催化剂具有活性位点，能够与反应物发生特定的相互作用。
这些位点能够将反应物吸附在表面，并改变反应物的键能、构型和电荷分布，进而降低反应的活化能。
例如，金属催化剂中的金属表面能够吸附气体分子，形成活化位点，从而促进气体分子之间的相互作用。
2. 加速化学反应：催化剂能够通过提供适宜的反应路径，改变反应中的中间体或过渡态的稳定性，加速反应速率。
催化剂本身并不参与反应，因此在反应结束后能够恢复原状。
例如，催化剂可以提供特定的反应机理，降低反应过程中的能量阻碍，促使反应更容易发生。
二、催化剂在化学工业中的应用1. 催化裂化：催化剂在石油化工中起到重要作用。
催化裂化是通过催化剂将重质石油馏分转化为轻质馏分的过程。
催化剂能够将长链烃转化为短链烃，提高汽油和石脑油的产率，提供更多的可燃烧燃料和化工原料。
2. 氧化反应：催化剂在氧化反应中起到重要作用。
例如，铂催化剂在汽车尾气处理中用于催化还原氮氧化物，将有毒的氮氧化物转化为无毒的氮气和水。
催化剂能够提高反应速率，降低反应温度，减少能源消耗和环境污染。
3. 合成反应：催化剂在有机合成中广泛应用。
例如，铂催化剂可以促进氢化反应，将卡宾化合物转化为醇、醛等有机化合物。
催化剂能够选择性地促进特定的反应路径，避免副反应的发生，提高反应产物的纯度和收率。
三、催化剂在环境保护中的应用1. 污水处理：催化剂在污水处理中起到重要作用。
例如，钛催化剂可以降解有机污染物，将有害物质转化为无害的水和二氧化碳。
催化剂能够加速氧化、还原等反应，提高污水处理效果，降低污染物对水环境的危害。
2. 大气净化：催化剂在大气净化中发挥重要作用。
催化剂工程-第二章(吸附作用与多想催化)
* 努森扩散系数 从气体分子运动论，
DK = 2/3 ⊽ rp
在多孔催化剂情况下，Knudson扩散系数修正为
DK,eff = DK θ / τm
式中， τm表示由平均孔径算得的弯曲因子。 根据Satlerfield的专著 DK与T1/2 * rp 成正比; 一般在10-2~ 10-5 cm2/s
r
a
Ee P P RT ƒ S e 2m KT 2m KT
r
a
ka Pƒ
σ ：凝聚系数 ，即具有Ea以上能量且碰在空中心能被吸附 的分子分数 S ：粘着几率。导致化学吸附的碰撞系数
4. 表面反应
火山型原则： 太强不利于它们的 表面迁移、接触； 太弱则会在进行之 前脱附流失。
1 ln aP f
f和a为经验常数，与温度和吸附物系的性质有关。
4.1 Freundlich等温式
E and θ is the relation of logarithm
E
a
E
0 a
ln
E
d
E
0 d
ln
RT
r
a
0 P E a ln f e 2m KT
这两个步骤均属于传质过程，与催化剂的宏 观结构和流体流型有关; 其扩散驱动力均为浓度 梯度dc/dx。
* 多相催化反应中的化学过程(2)(3)(4)
（2）化学吸附， （3）表面反应或转化， （4）产物分子的脱附或解吸 属于“化学过程”，涉及化学反应。与催化剂 的 表面结构、性质和反应条件有关，也叫“化学 动力学过程”
III型等温线 在整个压力范围内凹向下， 曲线没有拐点B。曲线下凹表明此种吸附 所凭借的作用力相当弱。吸附质对固体 不浸润时的吸附，如水在石墨上的吸附 即属此例。
吸附作用在催化剂应用的实例
吸附作用在催化剂应用的实例
吸附作用在催化剂应用中发挥着重要作用，它可以影响催化剂
的活性、选择性和稳定性。
以下是一些吸附作用在催化剂应用中的
实例：
1. 催化剂表面上的活性位点吸附反应物质，许多催化反应需要
反应物质吸附到催化剂表面上的活性位点上才能进行。
例如，氢气
在氢化反应中被吸附到催化剂表面上，从而促进烯烃的加氢反应。
2. 吸附作用调控反应速率，催化剂表面的吸附作用可以调控反
应速率。
吸附反应物质可以降低其在溶液中的浓度，从而增加与催
化剂表面上活性位点的碰撞频率，加快反应速率。
3. 吸附作用影响催化剂的选择性，某些催化反应需要通过控制
反应物质在催化剂表面上的吸附方式来实现选择性。
例如，选择性
氧化反应中，吸附作用可以影响氧化产物在催化剂表面上的排布，
从而影响产物的选择性。
4. 吸附作用影响催化剂的稳定性，吸附作用可以影响催化剂的
稳定性，例如，一些反应物质的吸附可能导致催化剂的中毒或失活。
另一方面，适当的吸附作用也可以稳定催化剂的结构，延长其使用寿命。
5. 吸附作用在催化剂再生中的应用，在催化剂使用过程中，吸附作用也可以用于催化剂的再生。
通过调控吸附作用，可以实现对催化剂上吸附物质的去除，恢复催化剂的活性。
总之，吸附作用在催化剂应用中扮演着至关重要的角色，它不仅影响着催化反应的进行，还可以调控催化剂的活性、选择性和稳定性，对于设计和优化催化剂具有重要意义。
化学催化反应机理及催化剂研究
化学催化反应机理及催化剂研究化学催化反应是一种常见的反应方法，具有较高的反应速率和选择性，因此广泛应用于有机合成、化工生产等领域。
催化剂是催化反应的关键，通过催化剂的加入，能够改变反应活化能，促进反应发生，并且能够控制反应的产物选择性。
一、催化反应机理催化反应的机理是指催化剂与反应物之间的相互作用过程。
一般来说，催化剂与反应物之间会发生几种不同类型的相互作用：1、吸附作用：催化剂能够吸附反应物分子，使得反应物分子更容易进入反应。
2、表面反应：催化剂表面上的活性位点与反应物之间发生反应，产生中间物或转换为反应产物。
3、界面反应：催化剂和反应体系之间的界面上发生反应。
在催化反应中，催化剂会影响反应物分子的化学键，改变反应物的活化能，使得反应进程更加容易发生。
一般来说，催化剂的作用是通过促进中间体的形成，降低反应物之间的相互作用能量，从而提高反应速率。
二、催化剂的种类常见的催化剂种类主要有：1、酸催化剂：通过提供质子来促进反应。
比如，硫酸、三氟化硼等。
2、碱催化剂：提供氢氧离子参与反应。
比如，氢氧化钠、氢氧化钾等。
3、金属催化剂：通过金属离子的提供来促进反应。
比如，铂、钯、铜等。
4、酶催化剂：是一种在生物体内催化反应的蛋白质。
比如，葡萄糖氧化酶、淀粉水解酶等。
催化剂的选择应根据实际情况来定，比如反应类型、反应条件等因素。
三、催化剂的研究催化剂的研究是催化领域的重要研究方向。
为了更好地理解催化反应机理，研究人员需要通过各种实验手段，研究催化剂与反应体系之间的相互作用过程。
例如，通过催化反应机理的计算模拟，研究催化剂表面的活性位点、反应物在催化剂表面的吸附、中间体的生成和产物的选择性等方面，来解释催化机理。
此外，原位催化技术、催化剂表征技术等也被广泛应用于催化剂的研究中。
另外，催化剂的设计和改进也是非常重要的一部分。
设计合适的催化剂能够改变反应的产物选择性和反应速率，从而提高反应的效率和产物质量。
因此，研究人员需要考虑催化剂的结构、活性位点、催化剂载体等因素，通过优化催化剂的性质，提高其催化效率和选择性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
吸附势能曲线
可说明吸附过程中 能量的变化。
氢分子在Ni上的吸附位能曲线（未计入零点能效应）
氢分子经过渡态而达到吸附态的化学吸附示意图
吸附热
化学吸附热可度量吸附物种与催化剂表面键合形 成化学吸附键的数值大小。 吸附热越大，吸附键越强。吸附热可用q积、 q微及q0三种方法来表示。
积分吸附热q积： 在催化剂表面上恒温地平均地吸附1mol气体 时放出的热量。积分吸附热是整个吸附过程中热 量变化的平均结果。源自吸附态
吸附态：吸附物种与催化剂表面相互作用的形态。 被吸附的分子是否解离：解离和缔合吸附； 催化剂表面吸附中心的状态是原子、离子还是 它们的集团：单点吸附和多点吸附。 吸附键类型是共价键、离子键还是配位键，以 及吸附物种所带的电荷类型与多少。 反应物在催化剂表面上的不同吸附态，对形成不同 的最终产物起着非常重要的作用； 加入助剂和载体可改变活性组分的吸附特性。
绍特基（Schottky）缺陷
线缺陷主要指位错，包括：边位错和螺旋位错两种。
（b）螺旋位错
（a）边位错 a’b’为边位错时金属内部的原子排 列
此外，还有一些缺陷化合物，其点缺陷是通过加 热或掺杂而产生间隙离子（原子）和晶格取代及 空位。 表面的缺陷部位常常比较活泼，表面能大， 处于不稳定状态，是吸附和催化的中心。在制备 催化剂时常有意识地控制条件以利于它们的形成 和稳定存在。
2.5 多相催化反应动力学简介
在物理过程不发生影响的条件下，化学过 程的机理和速度是表面（微观）动力学的研究 内容。 由于表面过程是吸附、反应、脱附的复杂 过程，研究时常进行一些简化处理——认为反 应推动力基本上全部消耗在阻力最大的控制步 骤上，其它各步皆处于平衡状态。因此，用控 制步骤的速度代替反应过程的速度，再根据假 设的机理、吸附的模型等，利用表面质量作用 定律建立起动力学模型方程。
催化剂的吸附作用
多相催化过程或气固催化过程，是气体（液体）反 应物在固体催化剂表面上进行的。吸附是反应的必经步 骤，因此，化学吸附与多相催化的关系非常密切。
催化中的吸附总是化学吸附;
化学吸附本身是一复杂过程,分两步进行,即物理吸附和 化学吸附
物理吸附和化学吸附
物理吸附 化学吸附
推动力 T吸附
图
Pt （面心立方）晶格及其晶面
低密勒指数的表面（稳定晶面）
图 Pt的高密勒指数晶面
（不稳定，易于转化为低密勒指数的表面）
晶体缺陷
实际晶体中，质点排布并不完全按顺序整齐排 列。受制备条件的影响，会产生各种缺陷，其 中与吸附和催化性能密切相关的有点缺陷和线 缺陷两类。
点缺陷 有两种：
弗兰尔（Frenkel）缺陷
催化反应控制阶段的判别
二、催化剂表面结构与吸附和催化性能
催化作用是在表面上进行的，为深入了解催化 作用的本质就必须了解晶体表面结构。 2.2.1 近似真实的表面结构：
从原子尺度看，催化剂表面是不均匀的。
催化剂不同位置上原子的浓度决定于制备条件。
对于单晶，切割的方向决定表面结构； 对于小粒子，粒子大小和形状决定各种形变、 阶梯和扭曲的浓度。通常，粒子越小，扭曲 和阶梯的浓度就越高。 低密勒指数的表面：表面自由能低，有最高 的原子密度。表面原子有最高可能数目的邻 近原子，即配位数。 高密勒指数的表面：台阶和扭曲原子浓度比 低密勒指数的 大，原子配位数小。这些表面 的表面能大，吸附能力强。
四、表面反应
化学吸附的表面化学物 种，在二维的吸附层中 并非静止不动的，只要 温度足够高，它们就成 为化学活性物种，在固 体表面迁移，随之进行 化学反应。 一般关联催化反应速率 与吸附强度的曲线，呈 现“火山型” （Volcano）
火山形曲线示意图
五、产物的脱附
脱附是吸附的逆过程，因此，遵循与吸附相同 的规律； 吸附的反应物和产物都有可能脱附； 就产物而言，也不希望在表面上吸附太强，否 则会阻碍反应物分子的接近表面，使活性中心 得不到再生，成为催化剂的毒物； 若目的产物是一种中间产物，则又希望它生成 后迅速脱附，以避免分解或进一步反应。
多相催化的反应步骤
（1）反应物分子从气流向催化剂表面和 物理过程（内扩 孔内扩散； 散和外扩散） （2）反应物分子在催化剂内表面上吸附； （3）吸附的反应物分子在催化剂表面上 表面进行的化学 相互作用或与气相分子作用进行化学 过程，称化学动 反应； 力学过程。 （4）反应产物自催化剂内表面脱附； （5）反应产物在孔内扩散并扩散到反应 气流中去。 物理过程（内扩 散和外扩散）
吸附热
微分吸附热q微： 在吸附的某一阶段，如果吸附量改变dn，此时放出的热量为dq， 则(q/n)T=q,则q称为某吸附量时的微分吸附热。
起始吸附热q0:
覆盖度为零时的微分吸附热。 吸附热测定方法：
量热法直接测定；
吸附等温线用Clausius-Clapeyron方程计算得到； 用色谱法测定。
热效应 吸附层 选择性 速度 活化能
范德华力 <吸附质的温度
接近凝聚热 （8~20kJ/mol) 单层或多层 无 快，受扩散控制 0
化学键力 取决于活化能，常较低
接近化反热，绝大多数为 放热（40~800kJ/mol) 单层 有 低温慢，高温快 多数较小, ~50KJ/mol; 少数为0，称为非活性吸附
图 球形催化剂中
反应物A的浓度分布
图 球形催化剂中存在死区时
反应物A的浓度分布
三、反应物分子的化学吸附
化学吸附是反应分子活化的关键一步。化学吸 附为单分子层吸附，具有饱和性。
发生化学吸附的原因 化学吸附键合的现代模型：包括几何的（集团 的）和电子的（配位的）效应两个方面，气体 分子基于这两种效应寻求与表面适合的几何对 称性和电子轨道，以进行化学吸附。