工业催化剂设计

工业催化剂设计第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一第2页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.1.1框图程序1968年由英国学者W.A.dowden提出。见图10—2第3页，共35页，2023年，2月20日，星期一第4页，共35页，2023年，2月20日，星期一总体设计程序

由英国学者D.L.Trimm提出。见图10—3第5页，共35页，2023年，2月20日，星期一第6页，共35页，2023年，2月20日，星期一数值触媒学

20世纪60年代，由日本学者米田幸夫提出。见图10—4第7页，共35页，2023年，2月20日，星期一第8页，共35页，2023年，2月20日，星期一推荐的催化剂设计框图程序

综合以上几位学者的意见后建议的催化剂设计框图如下第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.1.2催化剂主要成分设计

方法分类（1）基于催化理论设计活性组分键合理论：价键理论、分子轨道理论、晶体/配位场理论能带理论（2）基于活化模式或经验规则设计活性组分第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.1.3催化剂次要成分设计

主要成分催化效果不理想时，可考虑加入次要组分，一般量很少，但效果却很大主要有：助催化剂、抑制剂、隔离剂等等

次要组分设计方法分类（1）对症下药法烃的异构化催化剂不希望酸性太大导致产物裂化——加碱（2）机理研究法弄清机理，精细调节——不容易搞清机理第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.2催化剂类型设计法10.2.1块状金属催化剂（1）熔融态金属催化剂（2）骨架金属催化剂第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一第14页，共35页，2023年，2月20日，星期一结论：

（1）两种不同的制备方法导致不同的亚微观态和宏观结构（2）只有熔融法才能得到最佳的催化状态

熔融法催化剂的制备主要控制两个方面：

（1）组成物料的熔融过程（2）原子分散体系的精心控制固相化（见图10-7）第15页，共35页，2023年，2月20日，星期一第16页，共35页，2023年，2月20日，星期一（2）骨架金属催化剂20世纪20年代，M.Raney发明了骨架镍，后来又有了骨架铜（Ni-Al，Cu-Al合金）及Co、Pt、Pd的二元合金，再后来又发展为加入少量Mo、Cr、Zn的三元合金

最常用的仍然是骨架Ni和骨架Cu——加氢反应优点：

易以活性金属相的形式贮存（负载型需要以氧化态存在）

制备简单、均匀性及重现性好、颗粒易控制比表面高（Ni可达100m2/g,Cu达30m2/g）

第17页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.2.2负载金属催化剂10.2.2.1金属催化剂活性理论分析d%特征百分数极重要！通常在40-50%（工业催化剂）重要的过渡金属d%值列于下表（表10-2）不同金属加氢活性的顺序如下Rh>Pd>Pt>Ni>Fe>W>Cr>Ta

加氢活性与d%的关系见下图（图10-10)第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一第19页，共35页，2023年，2月20日，星期一第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.2.2.2活性组分的负载常用方法：理浸渍法、离子交换法、化学沉淀法等

根据具体反应类型的不同，可以选用活性非均匀分布

第22页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.2.2.3载体的作用及功能

载体组成能强烈影响金属的活性金属与载体间的强相互作用成为SMSI

（1）如载体不迁移（高于500℃热处理时）强相互作用发生在金属粒子与载体间——金属组分在载体表面上分散开，以环岛状负载（见10-12a）（2）如金属熔点高且载体迁移强相互作用表现为金属被载体氧化物润湿——金属粒子被包封（见10-12b）

第23页，共35页，2023年，2月20日，星期一

能够显示SMSI效应的载体氧化物在热处理是都可以被还原不能显示SMSI效应的载体氧化物在热处理是都不可被还原所以

载体氧化物可以被部分还原是导致金属粒子被包封、表现出SMSI效应的必要条件之一第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一第25页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.3计算机辅助催化剂设计

催化剂设计的思想来自于于英国人D.A.dowden计算机辅助催化剂设计的思想来自于日本的米田幸夫计算机辅助设计的目的

（1）寻求、编排、分析已有的信息（2）帮助进行必要的计算以提高催化剂的开发速度目前已有部分利用计算机辅助催化剂设计的成功实例但更多情况是：只能在一定程度上帮忙第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.4固体催化剂设计新思路10.4.1借助酶催化原理于非生物质固体催化材料合成的思路见图10-14及图10-15第27页，共35页，2023年，2月20日，星期一第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一第29页，共35页，2023年，2月20日，星期一10.4.2利用组合技术设计开发催化剂

该工作需要三方面的基本技术：（1）设计和使用并行合成法合成众多有希望的候选物库（2）建立快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价（3）候选物的优化及候选库的改进第30页，共35页，2023年，2月20日，星期一（1）候选库的设计与合成法薄膜沉积法、溶液合成法（2）快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价

光谱技术：红外热普技术（IR-themography）激光诱导荧光成像技术（LIFI）共振强化多光子离子化技术（REMPI）光热偏转技术（PTD）

质谱技术：四极子质谱计技术（QMS）与气体敏化法相结合的技术第31页，共35页，2023年，2月20日，星期一（3）候选库的优化与模拟采用并行式微型反应器可对研究结果进行优化（速度快）数值模拟也是开发优化催化剂的有价值工具10.4.3固体催化剂的构件组装

20世纪30年代以前，采用天然物作催化剂20世纪40-80年代，采用合成技术得到，涉及到氧化物载体、活性金属、含氧化物相及含硫化物相组成以后