工业催化_催化剂的组成与功能
工业催化知识点总结
工业催化知识点总结1. 催化剂的定义和分类催化剂是指能加速化学反应速率而本身不参与反应的物质。
根据催化反应的类型和应用范围，催化剂可以分为三类：均相催化剂、非均相催化剂和酶催化剂。
均相催化剂指在反应体系中与反应物相同的物质，非均相催化剂指在反应体系中与反应物相异的物质，酶催化剂是一种生物催化剂。
2. 催化剂的作用原理催化作用的基本原理是通过改变活化能，使得反应能够以更低的能量障碍进行。
催化剂在化学反应过程中会形成过渡态，通过吸附和解离反应物分子来降低活化能，从而提高反应速率。
而酶催化作用则是通过特定的活性位点使得反应物分子以更高效的方式进行化学反应。
3. 催化剂表面结构和活性位点催化剂表面结构和活性位点是催化剂催化作用的关键。
催化剂的活性位点是指能够吸附和反应反应物的部位，而催化剂的表面结构决定了活性位点的分布和特性。
在催化剂的设计和研究过程中，对催化剂表面结构和活性位点的理解和控制是至关重要的。
4. 催化反应的热力学和动力学催化反应的热力学和动力学性质对于理解和优化催化反应过程至关重要。
热力学研究了反应物与产物之间的化学平衡，而动力学研究了反应速率随时间的变化。
通过研究催化反应的热力学和动力学性质，可以优化催化剂的设计和反应条件。
5. 工业催化反应的应用工业催化反应在化工、能源、环保等领域具有重要的应用价值。
以氢气和氧气为反应物的合成氨催化反应、以氢气和一氧化碳为反应物的甲醇合成催化反应、汽油和柴油的加氢精制催化反应等都是工业上重要的应用。
6. 催化剂的设计和研究方法催化剂的设计和研究方法包括实验室合成和表征、计算模拟和理论研究等。
通过实验室合成和表征可以获得催化剂的物理和化学性质，通过计算模拟和理论研究可以对催化剂的结构和活性进行深入的理解。
在工业催化领域，通过对催化剂的设计和研究方法的不断深入和发展，可以为工业催化反应的高效和环保提供重要的技术支持。
7. 环保催化技术环保催化技术是指在保证催化反应效率的前提下，减少对环境的污染。
工业催化3.3-金属及合金催化剂及其催化作用ppt课件
一般 d%可用于解释多晶催化剂的活性大小，但 不能说明晶面上的活性差别。
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金属晶格间距与乙烯加氢活性的关系
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4.表面原子水平的不均匀性和催化活性
金属催化剂的表面是不均匀的，存在着各种不同 类型的表面位。可用原子表面的TSK模型：即台阶 （Terrace）、梯阶（Step）、和拐折（Kink）模型。 在表面上存在的拐折、梯阶、空位、附加原子等表面 位，对催化反应而言，都是活性较高的部位。
Fcc 面心立方
Bcc 体心立方
Hcp密排六方
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头二类为主要的金属催化剂。几乎所有的金属催化剂都是过 渡金属。而过渡金属催化剂的活性组分是第Ⅷ族和第ⅠB族金属。
工业催化剂的原理及应用
工业催化剂的原理及应用催化剂在化学工业中扮演着至关重要的角色。
它们能够加速反应速度、提高反应选择性和产品质量，从而使得反应更加高效。
其中，工业催化剂就是指应用于化学工业中的催化剂。
本文主要讲述工业催化剂的原理及应用。
一、工业催化剂的原理工业催化剂的原理主要基于催化反应的两个关键概念：催化活性和催化剂选择性。
催化活性是指催化剂参与反应的能力。
在一个催化剂表面，它的活性中心使得化学反应发生时需要的化学键发生断裂和形成。
这个反应的速率将会受到活性中心的数量和类型的限制，以及表面结构和反应条件的影响。
由于催化活性中心的数量和类型在每个不同的催化剂中都不同，因此，催化剂的催化活性通常会因催化剂的化学性质和物理性质而变化。
催化剂选择性是指催化剂选择生成的产物的能力。
催化剂精确地选择反应产物的生成是很复杂的，它取决于催化剂对反应机理的了解、催化作用的决定性步骤，以及催化剂和反应物的触发点。
因为具有不同的表面性质和晶体结构的不同催化剂，会与反应物的不同物理和化学性质和它们的作用有所不同，因此，催化剂选择性和活性之间存在一定的关系和相互影响。
二、工业催化剂的应用工业催化剂的应用非常广泛，包括合成氨、裂解石油、制造聚合物、制备精细化学品等。
其中，以下是工业中常用的催化剂。
1. 合成氨催化剂合成氨催化剂通常是氧化铁、铁、铝或铜的混合物。
该催化剂广泛应用于合成氨反应中。
氢气和氮气在催化剂上的反应可产生氨。
在这个过程中，而且，铁、氧化铁或锌和其他几种金属通常通过混合和煅烧处理来制备这种催化剂。
2. 裂解催化剂石油裂解是重要的工业反应之一，可以利用催化剂分解长链烃成小分子烃。
此过程通常在高温和高压下进行，并且需要长时间处理。
裂解反应的触发因素是催化剂表面的酸性位点，这些位点的作用使得反应中出现的物种与催化剂反应形成类似碳烯烃的层状结构。
3. 聚合催化剂聚合催化剂是制备聚合物的重要催化剂。
这种催化剂分为阴离子聚合催化剂和阳离子聚合催化剂两种。
工业催化剂概述
提高生产效率
工业催化剂能够显著提 高化学反应速率，缩短 生产周期，从而提高生
产效率。
降低能耗
催化剂的使用可以降低 反应所需的温度和压力，
从而减少能源消耗。
提升产品质量
催化剂可以改变反应路 径，提高目标产物的选 择性，从而提高产品质
量。
促进新工艺开发
催化剂的发现和应用推 动了新工艺的开发和优 化，促进了化学工业的
工业催化剂的应用范围广泛，涉及石 油、化工、制药、环保等多个领域， 对国民经济和人类生产生活具有重要 意义。
未来工业催化剂的发展趋势和挑战
随着环保意识的提高和可持续发展理念的普及， 工业催化剂的发展趋势将更加注重绿色环保和 可持续发展。
新型工业催化剂的研发和应用将更加注重资源 节约、环境友好和经济效益，同时需要应对技 术更新换代快、市场竞争激烈等挑战。
01
02
03
环保催化剂
开发对环境友好的绿色催 化剂，减少对环境的污染 和危害。
低碳技术
研究低碳或无碳排放的催 化反应过程，降低能源消 耗和温室气体排放。
资源高效利用
通过催化剂的优化，实现 资源的最大化利用，减少 浪费和排放。
05
结论
工业催化剂在工业生产中的重要地位
工业催化剂在化学工业中发挥着至关 重要的作用，能够加速化学反应速率 ，提高生产效率和产品质量。
工业催化剂概述
• 引言 • 工业催化剂的类型 • 工业催化剂的应用 • 工业催化剂的未来发展 • 结论
01
引言
工业催化剂的定义
01
工业催化剂是一种能够加速化学 反应的物质，本身不参与反应， 反应前后性质不变。
02
它通过降低化学反应的活化能， 提高反应速率，从而促进工业生 产中的化学反应。
《工业催化》第2章催化剂与催化作用
13
催化剂只能催化热力学上可行的化学反应
化学反应在给定的条件下能否进行的热力学判 据是反应的Gibbs自由焓变数值的正负关系，即仅有 当 r G 0时，反应在该条件下才是热力学上可行的 [例] 石墨和金刚石都是由碳元素组成，但化学结构 不同，是两种性质相差很大的化学物质。一般条件 下石墨很难转化为金刚石 （什么条件下石墨可以转化为 金刚石？），所以不要期望通过寻找高效催化剂在一 般条件下实现石墨向金刚石的转变 更不要指望，通过使用催化剂来实现“水变油” 或“点石成金”等不切实际的想法
14
催化剂只能改变化学反应速率，而不能改变
化学平衡的位置
对于可逆反应，
k正 Kf k逆
根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆 的，一种加速正反应速率的催化剂，则也应以相同 的比例加速逆反应速率，以保持Kf不变
对选择催化剂很有用。例如，由合成气合成甲醇，或 由氢、氮合气合成氨，直接研究正方向反应需要高压设 备，不方便也不经济，故早期研究中利用常压下甲醇分 解反应、氨分解反应，初步筛选相应的合成用催化剂。
常见的助催化剂
作用功能 减缓活性组分结焦，降低酸度 促进活性组分的酸度 间隔活性组分，减少烧结 促进活性组分对CO的氧化 促进载体的酸度和热稳定性 降低氢解和活性组分烧结，减少积炭 促进C-S和C-N氢解 促进MoO3的分散 促进脱焦 阻止Cu的烧结，提高活性
25
助催化剂 K2 O HCl MgO
SiO2、ZrO2、P 促进载体的热稳定性
11
催化作用改变反应历程意味着：
I. 催化剂参与反应物之间的化学反应； II.通过反应历程的改变使化学反应所需克服的 能垒(活化能)数值大为降低
工业催化剂的研究和应用
工业催化剂的研究和应用工业催化剂是指在工业生产中用于催化反应的材料。
它通过提高反应速率、降低反应温度和增加选择性等作用，促进化学反应的进行。
工业催化剂可以应用于化学、能源、环保、食品等多个领域，是现代社会发展不可或缺的一项技术。
一、工业催化剂的分类根据化学反应类型和催化剂的组成成分，工业催化剂可以分为以下几类：1. 原位催化剂：催化剂在反应中起催化作用，反应后从催化剂中脱离，形成新的物质。
2. 催化剂负载剂：负载剂是指将一种催化剂物质扩散到其他材料表面，形成固体催化剂。
负载剂通常包括氧化铝、硅胶和活性炭等材料。
催化剂负载剂广泛应用于车用尾气净化、燃料电池、氢气生产和精细化学品生产等领域。
3. 催化剂膜：催化剂膜是指在两个反应物之间形成的膜结构。
它可以分为表面催化和气体相催化两类。
表面催化是指在液体反应中催化剂的活性部分面朝反应物，将反应物吸附在催化剂表面，使反应物分子处于高能态。
气体相催化是指催化剂直接接触反应气体，通过反应体系中的惰性成分，促进反应的进行。
4. 金属催化剂和非金属催化剂：金属催化剂通常是指活性金属离子，例如铂、钴、铁、铬、铜等。
非金属催化剂则包括氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等。
二、工业催化剂的应用1. 化学领域：工业催化剂在化学领域应用广泛，其主要应用包括基础化学品、精细化学品、石化、聚合及无机化学等领域。
例如，石化生产中的炼油、裂化和合成气等过程中，都需要使用催化剂来促进化学反应的进行，提高产品的纯度和产量。
2. 能源领域：催化技术在能源领域的应用也非常广泛，它涉及到能源转化、储存和利用等方面。
例如，催化剂在燃料电池中需要发挥极其重要的作用，它可以提高燃料电池的效率、降低反应温度和延长使用寿命。
3. 环保领域：由于催化技术需要较低反应温度和较短反应时间，所以在环保领域中应用广泛。
例如，在车用尾气净化、废水处理、废气处理和垃圾焚烧等方面，均需要使用催化剂来加快污染物的分解和去除。
催化剂的组成与功能
催化剂的组成取功能之阳早格格创做催化剂的组成：活性组分载体帮催化剂催化剂组分取功能闭系：一、活性组分它是催化剂的主要组分，偶尔由一种物量组成，偶尔由多种物量组成如：乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂；丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼战铋催化剂活性组分的分类:二、载体载体是催化剂活性组分的分别剂、粘合剂战收撑物，是背载活性组分的骨架.比圆，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag便是背载正在“α—Al2O3上的，那里的α—Al2O 3称为载体.载体还常分为惰性载体取活性载体.庄重去道，催化剂中的组分皆没有是惰性的，皆对于主剂取帮剂有所效率，只没有过活性载体的效率更为明隐而已.载体的效率取帮催化剂的效率正在很多圆里有类似之处，分歧的是载体量大，帮催化剂量小；前者效率较慢战，后者较明隐.其余，由于载体量大，可给予催化剂以基础的物理结构取本能，如孔结构、比表面、宏瞅形状、板滞强度等.别的，对于主催化剂战帮催化剂起分别效率，更加对于贵金属既可缩小其用量，又可普及其活性，落矮催化剂成本.动做下效催化剂，活性组分取裁体的采用皆非常要害.底下是载体的分类战部分罕睹载体的种类：催化剂的活性随载体比表面的减少而减少，为赢得较下的活性，往往将活性组分背载于大比表面载体上.载体取催化剂的活性、采用性、热宁静性、板滞强度以及催化历程的传播个性有闭，果此，正在筛选战制制劣良的催化剂时，需要弄浑载体的物理本量战它的功能.催化剂组分取含量的表示要领：比圆：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’将催化剂中的各组分开启：加氢脱硫催化剂Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂战帮剂，斜线下为载体.各组分的含量可用沉量％、沉量比表示，也可用本子％、本子比表示.载体的功能：提供灵验的表面战相宜的孔结构⏹巩固催化剂的板滞强度⏹革新催化剂的传导性⏹缩小活性组分的含量⏹载体提供附加的活性核心⏹活性组分取载体之间的溢流局里战强相互效率理念的催化剂载体应具备的个性能符合某一特定反应的形状；有脚够的抗破碎强度；有脚够的反应表面战符合的孔结构；有脚够的宁静性，包罗活性宁静性取热宁静性；导热、热容量及堆稀度适中；没有含使催化剂中毒的物量；本料易得，载机制备历程烦琐.三、帮催化剂定义：加进少量的某种物量，不妨隐著革新催化剂效能，包罗活性，采用性取宁静性战寿命等.它是通过改变催化剂的化教组成、化教结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分别状态、板滞强度等去普及催化剂的本能.帮催化剂的分类：（1）结构型帮催化剂（2）电子型帮催化剂：（3）晶格缺陷型帮催化剂：使活性物量晶里的本子排列无序化，删大晶格缺陷浓度去普及催化剂的催化活性.第（2）、（3）类也合称为调变性帮催化剂结构型帮催化剂：效率：普及活性组分的分别性战热宁静性.本理：能使催化活性物量粒度变小、表面积删大，预防大概延慢果烧结而落矮活性等，工业催化历程常常正在几百度的条件下举止，本本没有宁静的微晶简单烧结，果而引导催化剂的活性下落.而帮催化剂的加进不妨遏止大概减慢微晶的删少速度，进而延少催化剂的使用克日.比圆：合成氨的铁催化剂，加进少量的Al2O3电子型帮催化剂：效率：改变催化剂活性物量的结媾战化教组成，促进催化活性采用性.本理：催化剂活性组分的空d轨讲能交受帮催化剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，普及了催化剂的活性战采用性；大概死成新的晶相，大概者也大概爆收大概删加催化剂中晶相大概微晶间活性界里的数目.进而普及活性大概采用性.比圆：Fe－Al2O3中加进K2O罕睹帮催化剂举例：。
工业催化--第一章工业催化剂概述
• 据统计，20世纪70年代末，全球催化剂销售额 仅约10亿美元，而到1990年，已达60亿美元。
• 表1-1和表1-2是相关的统计数据。
• 目前，世界生产催化剂的主要大型企业约100 余家，主要分布在欧美国家。
工业催化
化工学院精细化工系 朱新宝 教授
◇ 主要教材：
工 业 催化
黄仲涛主编
化学工业出版社
主要参考教材
• 催化剂设计与制备工艺 许越主编 化学工业 出版社
• 催化剂生产原理 赵九生等编 科学出版社 • 工业催化基础 赵光等编著 哈尔滨工程大学
出版社 • 工业催化剂分析测试表征 刘希尧等编著
烃加工出版社 • 催化剂工程导论 王尚弟等著 化学工业出版社
• 有关催化剂的开发，目前已有程度不同的进展。
• 新型的合成燃料，包括甲醇等醇基燃料、甲基 叔丁基醚、二甲醚等醚基燃料以及合成汽油等 烃基燃料。
• 由异丁烯与甲醇经催化反应而制得的甲基叔丁 基醚(MTBE)是一种醚基燃料，兼作汽油的新 型抗爆添加剂，取代污染空气的四乙基铅。
• 由两分子甲醇催化脱水，或由合成气(CO＋H2) 一步催化合成，均可得二甲醚。
• 石油是当代工业的血液。石油工业的蓬勃兴起， 是第二次世界大战后世界经济繁荣的主要文柱 之一。1990年，世界原油产量为6031.7万桶／ 日。
• 早期的石油炼制工业，从原油中分离出较轻的 液态烃（汽油、煤油、柴油）和气态烃类作为 工业和交通的能源。
• 早期主要用蒸馏等物理方法，以非化学、非催 化过程为主。
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节
催化剂的寿命 催化剂的失活 催化剂的再生 催化剂的安全使用
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K, Na, Ca, Mg, MgO, Ba(NO2)2, U+3,Al2O3+Ti2O3,CeO2,TiO2,Ni,
催化剂的活性随载体比表面的增加而增加， 为获得较高的活性，往往将活性组分负载 于大比表面载体上。
载体与催化剂的活性、选择性、热稳定性、 机械强度以及催化过程的传递特性有关， 因此，在筛选和制造优良的催化剂时，需 要弄清载体的物理性质和它的功能。
催化剂组分与含量的表示方法
例如：合成氨催化剂Fe—K2O—Al2O3用“—’ 将催化剂中的各组分隔开：加氢脱硫催化剂 Co—Mo/α—Al2O3，斜线上为主剂和助剂， 斜线下为裁体。各组分的含量可用重量％、 重量比表示，也可用原子％、原子比表示。
格缺陷浓度来提高催化剂的催化活性。 第（2）、（3）类也合称为调变性助催化剂
结构型助催化剂
作用：提高活性组分的分散性和热稳定性。 原理：能使催化活性物质粒度变小、表面积增大，
防止或延缓因，因而导致催化剂的活性下降。而助催 化剂的加入可以阻止或减缓微晶的增长速度，从 而延长催化剂的使用期限。 例如：合成氨的铁催化剂，加入少量的Al2O3
4%
2%
20%40%60%80%100% Mo的混合比
Mo-Fe合金组成与活性关系
活性组分的分类
类别
导电性
催化反应举例
活性组分
金属
过渡金属 氧化物、 硫化物 非过渡元 素氧化物
导电性（氧化、还 选择性加氢
原反应）
选择性氢解
选择性氧化
半导体（氧化还原） 选择性加氢、脱氢
氢解
氧化
绝缘体（碳离子反 聚合、异构 应）（酸碱反应） 裂化
三、助催化剂
定义：加入少量的某种物质，可以显著改 善催化剂效能，包括活性，选择性与稳定 性和寿命等。
它是通过改变催化剂的化学组成、化学结 构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面 结构、孔结构、分散状态、机械强度等来 提高催化剂的性能。
助催化剂的分类
（1）结构型助催化剂：
（2）电子型助催化剂：
（3）晶格缺陷型助催化剂： 使活性物质晶面的原子排列无序化，增大晶
低比 表面
非孔隙性 粗孔性
高比 表面 （细 孔性）
经过处理 的天然产 物无机的 骨架产品
合成凝胶
有机产品
载体
刚玉 碳化硅
浮石 硅藻土
石棉 耐火砖 铁钒土
白土 氧化铝（牌号AlcoaXF-10） 氧化铝（牌号AlcoaXF-21）
氧化镁 氧化硅、氧化铝 催化裂化催化剂
硅胶 活性炭
比表面
0~1 <1 0.04 2~30 1~16 <1 150 150~280 100 200 30~140 350 400~600 400~800 900~1200
电子型助催化剂
作用：改变催化剂活性物质的结构和化学组成， 促进催化活性选择性。
原理：催化剂活性组分的空d轨道能接受助催化 剂提供的电子，改变了活性组分的电子结构，提 高了催化剂的活性和选择性；可能生成新的晶相， 或者也可能产生或增多催化剂中晶相或微晶间活 性界面的数目。从而提高活性或选择性。
例如：Fe－Al2O3 中加入K2O
主要活性物质 Al2O3
Cr2O3 粘土
Cu或 CuO
反应类型 脱氢 裂解 脱水 脱氢
裂解 费托合成
脱水 脱氢
脱氢和脱水 加氢 胺化
费托合成
助催化剂
KOH，CaO，BaO，MgO，Ba(OH)2
K2O, Be2OFe, Fe2O3, SiO2 ZnO, ThO2, CaO, MgO K2O,Na, K,Rb, BeO,
2.2催化剂的组成与功能
2.2.1 催化剂的组成
活性组分 载体 助催化剂
催化剂组分与功能关系
催 化 剂 助催化剂 对活性组分/载体改性
一、活性组分
它是催化剂的主要组分，有时 由一种物质组成，有时由多 种物质组成
如：
乙烯氧化制环氧乙烷的银催化 剂；
丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼和 铋催化剂
10%
8% 氨 含6% 量
稳定剂 抑制剂
催化剂 Fe
V2O5
Si裂化
抑制剂 Cu,Ni,P,S 氧化铁
Na
作用效果
降低活性
防止深度氧 化为CO2等 中和酸点， 降低活性
2.2.2 载体的功能
提供有效的表面和适宜的孔结构 增强催化剂的机械强度 改善催化剂的传导性 减少活性组分的含量 载体提供附加的活性中心 活性组分与载体之间的溢流现象和强相互
脱水
Fe、Ni、Pt Pd、Cu、Ni、Pt Ag、Pd、Cu
ZnOCuONiO Cr2O3 MoS2 、Cr2O3 Fe2O3-MoO3 Al2O3、SiO2-Al2O3 SiO2-Al2O3、分子筛 分子筛
二、载体
载体是催化剂活性组分的分散剂、粘合剂和支 撑物，是负载活性组分的骨架。
例如，乙烯氧化制环氧乙烷催化剂中的Ag就是 负载在“α—Al2O3上的，这里的α—Al2O 3称为载 体 载体还常分为惰性载体与活性载体。严格来说， 催化剂中的组分都不是惰性的，都对主剂与助剂 有所影响，只本过活性载体的作用更为明显而已。
孔容积
0.33~0.45 0.4 -
0.51~0.61 -
0.25 0.3~0.5
0.3 0.3 0.3 0.5 0.6~0.9 0.4~4.0 0.3~2.0
载体的作用与助催化剂的作用在很多方面有 类似之处，不同的是载体量大，助催化剂量小； 前者作用较缓和，后者较明显。另外，由于载体 量大，可赋予催化剂以基本的物理结构与性能， 如孔结构、比表面、宏观外形、机械强度等。此 外，对主催化剂和助催化剂起分散作用，尤其对 贵金属既可减少其用量，又可提高其活性，降低 催化剂成本。作为高效催化剂，活性组分与裁体 的选择都非常重要。
Co, Cr2O3, MnO2,Fe2O3 Al2O3+Ti2O3,Al2O3, CeO2,
CaO, MgO,SnO2,Cr2O3,ZnO,Ni
HBO3,H3BO3,H3PO4
Cr2O3,
载体
Al2O3, MgO, ZnO,
Al2O3, 活性炭 Al2O3, 活性炭
Al2O3,硅藻土 硅藻土
四、其他