工业催化 复习资料

第一章:催化剂

催化剂: 一类能够改变化学反应的速度，不改变热力学平衡，并不被明显消耗的物质。

正催化剂：能加快反应速度的Cat.

负催化剂：能减慢反应速度的Cat.

催化作用：是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被明显消耗的一种叫催化剂的外加物质来加速或减慢化学反应速度的现象。

催化剂的基本特性：（1）只加速热力学可行的反应；（2）催化剂不影响平衡常数；(3)k 正与k 逆相同倍数增加（4）改变反应历程；（5）降低了反应活化能。

Arrhenius 方程: 催化剂好差的评价（价值）：重要性顺序：选择性＞寿命＞活性

(1) 催化剂的活性（activity ）(2) 催化剂的选择性（selectivity ） (3) 催化剂的寿命（lifetime ），可以分为三个部分，成熟期，稳定期和衰老期。(4) 催化剂的价格（cost ）(5) 催化剂的稳定性（stability ） 补偿效应:在用不同方法制备的催化剂上，研究一个给定的催化反应时，用Arrhenius 方程表示反应速率常数时，不同催化剂的指前因子A 和活化能E 是以彼此补偿的方式变化的，导致不同的催化剂在相同的温度和压力下的反应速率常数（或反应速率）为恒值。

工业催化剂着重考虑的问题：

（1）活性(包括选择性)（2）稳定性（3）流体流动性（4）机械性质

多组分催化剂的成分：

（1）活性组分（active components ）或称主催化剂（maincatalist ）；对催化剂的活性起着主要作用。它是催化剂设计的第一步，没有它，催化反应几乎不发生。其类别主要有三：即导体、半导体和绝缘体。

（2）载体 （support 或 carrier ）；① 最重要的功能是分散活性组分、作为活性组分的基底，使活性组分保持大的表面积。② 降低对毒物的敏感性；③ 载体为Cat.提供一定的孔隙结构；④ 改进催化剂的机械强度，及抵抗条件的应力能力⑤ 有些载体具有双功能性。

（3）助催化剂（promoter ）：本身没有活性或活性很小，但在加入催化剂后（一般小于催化剂总量的10%）能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性。其作用是：① 帮助载体，控制载体的稳定性，控制不希望有的活性，② 帮助活性组分，可能是结构的或电子的，③ 助抗中毒

催化剂的命名方式：

通常： 1、用“/” 来区分载体与活性组分，如：Ru/Al 2O 3，Pt/Al 2O 3，Pd/SiO 2，Au/C 。2、用“-”来区分各活性组分及助剂， Pt-Sn/Al 2O 3，Fe-Al 2O 3-K 2O

催化剂体系的分类：

1．按催化反应体系物象的均一性分类：（1）均相催化（homogeneous catalysis ），反应物和催化剂分子分散在同一相中。（2）多相催化，反应物和催化剂处于不同的相。(3)酶催化，介于均值催化和多相催化之间。酶催化剂小，可与反应物分子分散在一个相中；酶催化剂大，则足以涉及表面上有许多活性部位。

2.按催化剂的作用机理分类：（1）氧化还原，反应物分子与催化剂之间发生单电子的转移而使反应物分子中化学键进行均裂，从而形成了活性物种。（2）酸碱催化，反应物分子与催化剂之间发生电子对的转移而使反应物分子中化学键进行非均裂，从而形成了活性物种。（3）配位催化，反应物分子与催化剂之间形成配位键而使反应物分子活化。

3.按催化反应类别分类：（见课本39页）。按反应类别分类的好处是：① 便于比较同类型的反应共性； ② 已知催化剂试探同类型的另一个反应，是开发新催化剂的方法之一。

思考题

1. 什么是催化剂、催化作用及催化反应的补偿效应。【催化剂是一类能够改变化学反应的速度，不改变热力学平衡，并不被明显消耗的物质。催化作用：是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被明显消耗的一种叫催化剂的外加物质来加速或减慢化学反应速度的现象。补偿效应:在用不同方法制备的催化剂上，研究一个给定的催化反应时，用Arrhenius 方程表示反应RT

E Ae k /-=

速率常数时，不同催化剂的指前因子A 和活化能E 是以彼此补偿的方式变化的，导致不同的催化剂在相同的温度和压力下的反应速率常数（或反应速率）为恒值。】

2. 催化剂的基本特性有哪些？【（1）只加速热力学可行的反应；（2）催化剂不影响平衡常数；(3)k 正与k 逆相同倍数增加（4）改变反应历程；（5）降低了反应活化能。】

3. 催化剂的组分大体有哪些，各有什么作用。【（1）活性组分（2）载体（3）助催化剂。其作用……】

4. 催化剂按反应体系的分类有哪些，有什么特点。【1．按催化反应体系物象的均一性分类：（1）均相催化（2）多相催化 (3)酶催化。2.按催化剂的作用机理分类：（1）氧化还原（2）酸碱催化（3）配位催化。3.按催化反应类别分类：（见课本39页）。按均一性分类的各种催化的特点：（1）均相催化——反应机理易于研究，但工业化难，催化剂的回收也难。（2）多相催化—— 催化剂与反应物有相界隔开，易于工业化，但难于确定反应机理。(3)酶催化——兼有均相催化和多相催化的特点，活性和选择性都很高。】

5. Arrhenius 方程及表达含义。【RT E Ae k /-=，其意义即是补偿效应】

6. 怎样估量催化剂的价值。【 (1)活性 (2)选择性(3)寿命 (4)价格 (5)稳定性。重要性顺序：选择性＞寿命＞活性】

7.怎样设计制备一种新催化剂？【见第三章】

8.为了使400K 进行的某催化反应提高反应速率到103

倍，向次体系加入催化剂，若非催化反应的的指前因子是催化反应的1012倍，那么催化反应的活化能比非催化反应的降低多少KJ/mol ？

第三章：催化剂的制备

催化剂传统的制造方法：

一体化催化剂 ：沉淀法 ，Sol-gel 法 ，微乳液法 ，熔融法， 混合法

负载型催化剂 ：浸渍法 ，离子交换法 ，沉积沉淀法

沉淀过程的三个阶段：过饱和，成核，长大。

活性组分的沉积：有四种方法，沉淀法，吸附法，离子交换法，浸渍法。

沉淀法:

分类：分为单组分沉淀法（制备非贵金属的单组分催化剂或载体），多组分沉淀法(用于制备多组分催化剂，多个组分同时沉淀)，均匀沉淀法(金属盐溶液与沉淀剂充分混合后，逐渐改变条件得到沉淀物)和导晶沉淀法(借助晶化导向剂引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀)

沉淀法的生产流程：在金属盐溶液中加入沉淀剂，生成难溶金属盐或金属水合氧化物，从溶液中沉淀出来，再经老化、过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型、活化等工序制得催化剂或催化剂载体。

形成沉淀的条件：（1）溶液中析出晶核是一个由无到有生成新相的过程，溶质分子必须有足够的能量克服液固相界面的阻力，碰撞凝聚成晶核；（2）同时，为了使从溶液中生成的晶核长大成晶体，也必须有一定的浓度差作为扩散推动力。

沉淀影响因素：

（1） 浓度，

晶形沉淀应在稀溶液中进行（稀溶液中更有利于晶核长大），过饱和度不太大时（S = 1.5-2.0）可得到完整结晶，过饱和度较大时，结晶速率很快，易产生错位和晶格缺陷，但也易包藏杂质、晶粒较小，沉淀剂应在搅拌下均匀缓慢加入，以免局部过浓。非晶形沉淀应在较浓溶液中进行，沉淀剂应在搅拌下迅速加入

（2） 温度，

晶核生成速率、长大速率存在极大值（晶核生成速率最大时的温度比晶核长大速率最大时的温度低得多），低温有利于晶核生成，不利于晶核长大，一般得到细小颗粒，晶形沉淀应在较热溶液中进行，并且热溶液中沉淀吸附杂质少、沉淀时间短（一般70-80 oC ）

（3） pH 值，

同一物质在不同pH 值下沉淀可能得到不同的晶形 ，多组分金属盐的共沉淀，pH 值的变化会引起先后沉淀 ，