催化剂基础详解

1、催化作用与催化作用与催化剂简介催化剂简介催化基本概念催化基本概念 A+CAC AC+BAB+C催化剂的定义在化学反应里能改变（加快或减慢）其他物质的化学反应速率，而本身的质量质量和化学性质化学性质在反应前后（反应过程中会改变）都没有发生变化没有发生变化的物质叫做催化剂催化剂，又叫触媒触媒。其物理性质可能会发生改变，例如MnO2在催化氯酸钾生成氯化钾和氧气的反应前后由块状变为粉末状。另一种说法另一种说法，催化剂参与化学反应。在一个总的化学反应中，催化剂的作用是降低该反应发生所需要的活化能活化能，本质上是把一个比较难发生的反应变成了两个（或者更多）更容易发生的化学反应。在这两个反应中，第一个反应中

2、催化剂扮演反应物的角色，第二个反应中催化剂扮演生成物的角色，所以说从总的反应方程式上来看，催化剂在反应前后没有变化。活化能催化剂的作用85%以上的化工产品是借助催化剂生产以上的化工产品是借助催化剂生产的的l无机化工：无机化工：合成氨合成氨、硝酸硝酸、硫酸硫酸l有机化工：有机化工：甲醇甲醇、醋酸、丙酮、醋酸、丙酮l高分子化工：三大合成材料高分子化工：三大合成材料(合成树脂合成树脂、合成橡胶合成橡胶、合成纤维合成纤维)l石油炼制与化工：石油炼制与化工：汽油、柴油汽油、柴油（裂化、重整）（裂化、重整）环境保护环境保护l挥发性有机组分挥发性有机组分(VOCs)：催化燃烧：催化燃烧常温下，沸点常温下，沸

3、点50260的各种有机化合物。最常见的的各种有机化合物。最常见的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氰酸酯（三氯乙烷、二异氰酸酯（TDI）、二异氰甲苯酯等。）、二异氰甲苯酯等。l工工 业业 排排 放放 NOx：催化还原：催化还原N2l机机 动动 车车 尾尾 气：气： 三效催化剂三效催化剂(CO、NOx、CHx) CO2、N2、H2O+CO2l化工过程的绿色化：化工过程的绿色化： 催化剂的应用催化剂的应用 无毒催化剂代替有毒催化剂无毒催化剂代替有毒催化剂能源开发、利用能源开发、利用l石石 油：提高原油利用率油：提高原油利用

4、率l天然气：合成液体燃料天然气：合成液体燃料(合成油、甲醇、合成油、甲醇、 二甲醚二甲醚)l煤煤 ：间接液化制液体燃料间接液化制液体燃料l生物质：生物质：燃料燃料对催化作用的诠释 :（1） 只加速热力学可行的反应（只加速热力学可行的反应（ G0 0）。（2） 不影响平衡常数（不影响平衡常数（ G0 = RT lnKa） 。（3） k正正与与k逆逆有相同倍数变化（有相同倍数变化（k正正/k逆逆不变）。不变）。（4） 改变反应途径，降低反应活化能。改变反应途径，降低反应活化能。对催化作用的诠释(续) :非催化反应和催化反应的活化能（kJ/mol）反应E (非催化)E (催化)E = E E 催化剂

5、2HI H2 + I21841055979125AuPt2N2O2N2+ O2245121134124131AuPt(C2H5)2O 热解 22414480I2 蒸汽对催化作用的诠释 : (5) 存在催化循环存在催化循环 (6) 催化剂用量少且不消耗。催化剂用量少且不消耗。（7）不影响化学计量方程式。）不影响化学计量方程式。（8） 反应速度反应速度(mol/s)与催化剂用量成正比。与催化剂用量成正比。 （9） 反应后催化剂有微小变化。反应后催化剂有微小变化。对催化作用的诠释 :（10） 加速反应但不参与反应者不是催化剂。加速反应但不参与反应者不是催化剂。 （11） 引发剂不是催化剂。引发剂不是

6、催化剂。（12） 催化剂是物体形式的物质。催化剂是物体形式的物质。催化作用的意义催化作用的意义 催化剂的应用领域催化剂的应用领域（1 1）合成氨及合成甲醇）合成氨及合成甲醇: : 产量最大的合成化学品产量最大的合成化学品（2 2）石油炼制与合成燃料：）石油炼制与合成燃料：运输量和消费量最大的化运输量和消费量最大的化（3 3）无机化学工业：）无机化学工业：硫酸和硝酸的生产硫酸和硝酸的生产（4 4）基本有机合成工业：）基本有机合成工业：醇、醛（酮）、酸、酯、腈醇、醛（酮）、酸、酯、腈（5 5）三大合成材料：）三大合成材料：合成树脂与塑料、合成橡胶、合成合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维纤维（6 6

7、）精细化工产品：）精细化工产品：品种最多、平均单价高的化学品品种最多、平均单价高的化学品（7 7）生物化工：）生物化工：最有潜力和发展前景的化工领域最有潜力和发展前景的化工领域（8 8）环境化学：）环境化学：与人类生存密切相关的领域，尾气净化与人类生存密切相关的领域，尾气净化1.1.11.1.1催化作用的意义催化作用的意义第一章第一章 绪论绪论 N2+3H23NH3 催化剂：催化剂：Fe-Al2O3-K2O 每吨催化剂可产每吨催化剂可产2万吨氨万吨氨 N2来源：空气分离来源：空气分离 H2来源来源: 烃类水蒸气转化法。烃类水蒸气转化法。 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、工艺（涉及反应）：加

8、氢、脱硫、转化、变换、甲烷化、氨合成。需用八种不同变换、甲烷化、氨合成。需用八种不同催化剂催化剂 合成氨合成氨1.1.11.1.1催化作用的意义催化作用的意义第一章第一章 绪论绪论石油石油1.1.11.1.1催化作用的意义催化作用的意义第一章第一章 绪论绪论煤煤1.1.11.1.1催化作用的意义催化作用的意义第一章第一章 绪论绪论天然气天然气催化剂的定义与特征催化剂的定义催化剂的定义 能能改变改变化学反应的速度化学反应的速度 不改变不改变化学反应的化学反应的热力学平衡位置热力学平衡位置 本身在化学反应中不被本身在化学反应中不被明显明显地消耗地消耗催化剂的特征催化剂的特征只能改变热力学上可进行的

9、化学反应只能改变热力学上可进行的化学反应只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的位置。位置。G G= - = - RTRT InInK Kp p化学平衡常数化学平衡常数K Kp p的大小取决于反应温度的大小取决于反应温度T T和和G G，而而G G是状态函数，与过程无关。是状态函数，与过程无关。催化剂的特征催化剂参与化学反应催化剂参与化学反应 ：通过：通过改变反应历程改变反应历程、降降低活化能低活化能而改变反应速度（而改变反应速度（催化作用机理催化作用机理）能加快化学反应的速度，也能减慢化学反应的能加快化学反应的速度，也能减慢化学反应的速度速度催化剂对反

10、应的类型、方向及产物的结构具有催化剂对反应的类型、方向及产物的结构具有选择性选择性一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用如如SiO2-Al2O3SiO2-Al2O3催化剂对酸碱反应具有催化作催化剂对酸碱反应具有催化作用，但对合成氨反应却无效用，但对合成氨反应却无效利用不同的催化剂，可以使反应有选择性地朝利用不同的催化剂，可以使反应有选择性地朝某一个需要的方向进行，生产所需的产品。某一个需要的方向进行，生产所需的产品。催化剂活性评价的几个重要参数(1) 转化率或活性转化率或活性 转化率转化率 = (反应物已转化的质量反应物已转化的质量) / (反应物起始质量

11、反应物起始质量) 100%(2) 选择性选择性 选择性选择性 = (转化为目的产物所消耗的某反应物质量转化为目的产物所消耗的某反应物质量) / (某某反应物转化的总质量反应物转化的总质量) 100%(3) 得率或产率得率或产率 得率得率 = (生成的目的产物质量生成的目的产物质量) / (某反应物的起始质量某反应物的起始质量) 100% 得率得率 = 转化率转化率 选择性选择性 100%(4) 空速和接触时间空速和接触时间 空速空速 = (反应混合物流量反应混合物流量) / (催化剂体积或质量催化剂体积或质量)接触时间接触时间 = 1 / 空速空速 催化剂活性评价的几个重要参数 (续) :(5

12、) 反应速率反应速率 反应速率反应速率 = 单位质量单位质量 (体积或比表面积体积或比表面积) 的催化剂上在单的催化剂上在单位时间内某反应物的位时间内某反应物的摩尔摩尔改变量改变量 (6) 寿命寿命 从开始使用到活性下降至一定值所经历的时间。从开始使用到活性下降至一定值所经历的时间。 (催化剂中毒，比表面积降低，催化剂变质，碳沉积，催化剂中毒，比表面积降低，催化剂变质，碳沉积，流失，破碎等等流失，破碎等等)催化剂构成与作用活性组分或主催化剂活性组分或主催化剂 催化活性催化活性包括： 金属 金属氧化物 复合氧化物 金属硫（碳、氮、卤）化物大部分活性组分为：过渡金属及其化合物大部分活性组分为：过渡

13、金属及其化合物催化剂构成与作用助催化剂助催化剂 改善催化活性或催化剂稳定性改善催化活性或催化剂稳定性帮助帮助活性组分：活性组分： ( (结构或电子方面结构或电子方面) )帮助帮助载体：载体：( (结构或电子方面结构或电子方面) )例如：例如：合成NH3催化剂： （1）Fe3O4：活性组分活性组分 （2）Al2O3 （结构助催剂）: 促进促进Fe (111)Fe (111) 晶晶面形成面形成 (3) K（电子助催剂）: 增加增加FeFe表面电子密度表面电子密度催化剂催化剂助催剂助催剂功能功能Al2O3(载体和催化剂）载体和催化剂）SiO2, ZrO2, PK2OHClMgO改进热稳定性改进热稳定

14、性毒化结焦部位毒化结焦部位增加酸性增加酸性阻滞活性组分烧结阻滞活性组分烧结SiO2-Al2O3(催化裂化催化剂和基体催化裂化催化剂和基体)Pt增加增加CO氧化氧化沸石沸石（裂化催化剂）（裂化催化剂）稀土离子稀土离子Pd增加酸性和热稳定性增加酸性和热稳定性增加加氢增加加氢Pt/Al2O3（催化重整）（催化重整）Re减少氢解和烧结减少氢解和烧结MoO3/Al2O3(加氢处理加氢处理)Ni, CoP, B增加增加CS和和C N的氢解的氢解增加增加MoO3分散度分散度Ni/陶质载体陶质载体（水汽转换）（水汽转换）K加快炭的移除加快炭的移除Cu-ZnO-Al2O3(低温变换低温变换)ZnO减少减少Cu的

15、烧结的烧结催化剂构成与作用载体载体 （: 分散活性组分，使其分散活性组分，使其 保持大的表面积保持大的表面积选择载体原则选择载体原则比表面积比表面积 适宜的比表面积和孔隙结构适宜的比表面积和孔隙结构 过大比表面积载体：活性组分非常活泼，反应产物易进一过大比表面积载体：活性组分非常活泼，反应产物易进一步转化。步转化。 过小比表面积载体：活性组分易聚集而导致失活或活性低。过小比表面积载体：活性组分易聚集而导致失活或活性低。机械强度：机械强度：耐反应气流冲击耐反应气流冲击热稳定性热稳定性: :热膨胀系数较低热膨胀系数较低无毒和不引起副反应无毒和不引起副反应常用的载体低比表面积载体低比表面积载体对催化

16、剂的活性影响很小，但热稳定性高，常对催化剂的活性影响很小，但热稳定性高，常用于高温反应和强放热反应。如乙烯氧化制环用于高温反应和强放热反应。如乙烯氧化制环氧乙烷银催化剂中的氧乙烷银催化剂中的-Al2O3-Al2O3。 高比表面积载体高比表面积载体因具有酸性或碱性，会影响催化剂的性能。如因具有酸性或碱性，会影响催化剂的性能。如SiO2SiO2、Al2O3Al2O3、活性炭、分子筛等。、活性炭、分子筛等。常用的载体低比表面积载体低比表面积载体载体载体比表面积比表面积（m2/g）刚玉刚玉01碳化硅碳化硅1硅藻土硅藻土230石棉石棉116耐火砖耐火砖1载体载体比表面积比表面积（m2/g）氧化铝氧化铝1

17、00200硅胶硅胶400800活性炭活性炭9001200白土白土150280SiO2-Al2O3350600高比表面积载体高比表面积载体固体催化剂的结构固体催化剂的组成固体催化剂的组成分散度分散度化合态化合态物物 相相初级粒子初级粒子次级粒子次级粒子金属单质金属单质化化 合合 物物固固 溶溶 体体晶晶 态态非非 晶晶 态态均均 匀匀 度度积聚方式积聚方式外外 形形表面纹理表面纹理孔隙构造孔隙构造组分分布组分分布固体催化剂的颗粒固体催化剂的颗粒催化反应和催化剂的分类催化反应的分类催化反应的分类 按反应系统物相的均一性按反应系统物相的均一性均相：均相：催化剂与反应物形成均一相催化剂与反应物形成均一

18、相非均相非均相( (多相多相) )：催化剂与反应物处于不同相催化剂与反应物处于不同相酶：酶本身是液体均匀分散在水溶液中（均酶：酶本身是液体均匀分散在水溶液中（均相），但反应却从反应物在其表面上的积聚开相），但反应却从反应物在其表面上的积聚开始（多相），因此同时具有均相和多相的性质。始（多相），因此同时具有均相和多相的性质。催化反应的分类按反应类型按反应类型加氢加氢 脱氢脱氢 氧化氧化 聚合聚合 裂解等裂解等优点：优点：便于比较同类型反应的特点便于比较同类型反应的特点NiNi催化剂：烯烃催化剂：烯烃/ /苯苯 加氢加氢V2O5V2O5（五氧化二钒）催化剂：（五氧化二钒）催化剂： 苯苯/ /邻二甲

19、苯邻二甲苯 氧化氧化催化反应的分类按反应机理按反应机理酸碱型反应酸碱型反应：催化剂与反应物通过：催化剂与反应物通过电子对电子对的接的接受而配位，或发生强烈极化，形成离子型活性受而配位，或发生强烈极化，形成离子型活性中间体物种进行的催化反应。中间体物种进行的催化反应。氧化还原型反应氧化还原型反应：催化剂与反应物通过：催化剂与反应物通过单个电单个电子子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。催化剂的分类按催化剂的元素及化合态分类按催化剂的元素及化合态分类金属、金属氧金属、金属氧( (硫硫) )化物、金属有机化合物化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形

20、态按催化剂的导电性及化学形态导体、半导体、绝缘体导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类按行业类别分类石油炼制工业、化肥工业、环境保护石油炼制工业、化肥工业、环境保护等等催化剂的反应性能活性：活性：指催化剂对反应加速的程度指催化剂对反应加速的程度选择性：选择性：指所消耗的原料中转化成目指所消耗的原料中转化成目 的产物的分率的产物的分率稳定性：稳定性：指催化剂在使用条件下具有指催化剂在使用条件下具有 稳定活性稳定活性的时间的时间催化剂活性的表示方法转化率转化率CA=CA=反应物反应物A A转化掉的量转化掉的量/ /流经催化剂床层反流经催化剂床层反 应物应物A A的总量的总量100%100% 可用完成

21、一定转化率所需的可用完成一定转化率所需的反应温度反应温度的高低的高低来比较：反应温度越低，活性越高。来比较：反应温度越低，活性越高。 还可用完成一定转化率所需的还可用完成一定转化率所需的空速空速来比较：来比较：空速越高活性越好。空速越高活性越好。空速空速空速(Space velocity)(Space velocity)：单位时间内，单位质：单位时间内，单位质量或体积催化剂所能处理的反应物量。量或体积催化剂所能处理的反应物量。空速越大，表明催化剂的处理能力越强。空速越大，表明催化剂的处理能力越强。空速的倒数为空速的倒数为接触时间接触时间催化剂的选择性选择性选择性转化成目的产物的原料量转化成目的产物的原料量/ /总转化总转化 掉的原料量掉的原料量100100选择性选择性目的产物的产率目的产物的产率/ /原料的转化率原料的转化率100100产率产率：指消耗于生成目的产物的反应物