改变人类社会的八大催化剂

催化剂在人类文明进步与世界经济发展中扮演着非常重要的角色，它的每一次重大突破，都极大地改变了人类的生产与生活方式。今天介绍工业革命以来改变世界的八种催化剂，每一种催化剂的出现都孵化出一个新型的行业。1.

硫酸合成催化剂硫酸工业是近代最重要的工业。1875年，一位德国化学家建立了世界上第一条生产发烟硫酸的生产线，当时用的就是非常昂贵的铂催化剂，这是固体工业催化剂的先驱。十年后，德国公司的化学家开发了一种更经济高效的替代工艺，采用目前广泛使用的V2O5为催化剂，也正是由于这种硫生产工艺使巴斯夫一跃成为当时全球最大的硫酸生产商。种类与功能：硫酸合成催化剂种类繁多，每种催化剂都有其特定的功能和应用场景。常见的硫酸合成催化剂包括铂族金属催化剂、铂金族催化剂、过渡金属催化剂等。1.铂族金属催化剂：铂、铑、钯等金属是合成硫酸的重要催化剂。它们具有高活性和选择性，可以在反应中作为氧化剂或还原剂，促进硫酸的合成反应，从而提高反应速率和产率。2.铂金族催化剂：包括铂、钯、铑和钌等元素，这些催化剂同样具有优良的催化活性和氧化还原性能，在硫酸合成反应中起到关键作用。3.过渡金属催化剂：主要由钼、钨、铋、锑等元素的化合物组成。这些催化剂也具有较高的催化活性和选择性，对硫酸的生产过程至关重要。此外，还有一些特定的催化剂，如四氧化三铁（马尔凯特催化剂）、二氧化钛、二氧化硅等，它们也在硫酸合成过程中发挥着重要作用。总之，硫酸合成催化剂在硫酸生产过程中发挥着至关重要的作用。通过合理选择和使用催化剂，可以显著提高硫酸生产的效率和产率，同时也有助于降低生产成本和环境影响。2、合成氨催化剂如果要说人类最重要的的发明是什么，德国化学家的合成氨工艺绝对排得上第一。合成氨工艺的工业化意味着人类可以利用无机物氮气和氢气生产大量的氨气，也就是农业中的氮肥，而氮肥的工业化供应意味着粮食产量的大幅增加。合成氨的出现推动的化肥工业与其他工业的迅猛发展，对人类的好处也是不可估量的。最重要的，能够让合成氨工艺顺利工业化的主要原因就是铁系催化剂的发明。在以前，即使是在高温和高压的条件下，氮气与氢气生成氨气的效率也是非常的低。1909年，德国化学家在200个大气压和600℃下通过使用锇这一金属作为催化剂直接得到了产率为6％的氨气。2年后，又开发了价格更便宜，性能更高的铁催化剂，并且建立了一个日产30吨的合成氨工厂。这是人工固氮的重大胜利，也是催化剂在化学工业与化学研究中的重大胜利。因为合成氨工艺发明，于1918年获得诺贝尔化学奖。主要成分：合成氨催化剂的主要成分包括铁、钼、镍等过渡金属元素以及铝、硅等助催化剂。这些元素在催化剂的活性、稳定性和选择性方面发挥着关键作用。常见类型：1.铁催化剂：工业合成氨中最常用的催化剂之一。它通常是以铁为主要活性成分，并结合了其他助剂和载体来提高催化剂的活性和稳定性。在适当的温度和压力下，铁催化剂能够促使氮气和氢气在反应器中结合成氨气。常用的铁催化剂包括铁-铝催化剂和铁-钾催化剂。2.钴催化剂：也是工业合成氨中常用的催化剂。与铁催化剂相比，钴催化剂具有更高的活性和选择性，能够在相对较低的温度和压力下实现高效的氨合成反应。催化剂的活性：合成氨催化剂的活性与反应条件密切相关。例如，铁触媒在约500℃时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择在500℃左右进行的重要原因之一。然而，即使在最佳条件下，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也仅为26.4%，因此还需要采取其他措施，如迅速冷却，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合气体中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。3、费托合成催化剂20世纪初，随着汽车与飞机工业的发展，对液态燃料的需求急剧增加，各国政府都在如何高效生产更低成本的液态燃料加大投入。费托合成工艺就是在这一背景下发明的，这是一种以合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）为原料在催化剂和适当条件下合成以液态烃或碳氢化合物的工艺过程。这种工艺首先是由德国科学家于1923年发现的，经过13年的深入研究并于1936年才在德国实现工业化。一开始用的催化剂是Co-Tu-硅藻土催化剂，后来逐渐应用发展到熔铁、Co、钌等各种负载型催化剂，催化性能更加优越。主要成分与类型：费托合成催化剂主要由过渡金属制成，特别是周期表中的第VIII族金属，如Co、Fe、Ni、Ru等。为了提高催化剂的活性、稳定性和选择性，还会加入一些辅助成分，如金属氧化物或盐类。此外，催化剂通常还需要载体，如氧化铝、二氧化硅、高岭土或硅藻土等。其中，铁基催化剂和钴基催化剂是费托合成中最为常见的两种类型。铁基催化剂分为低温和高温两种，而钴基催化剂在某些反应上可能不如铁基催化剂综合表现优越，因此在实际应用中，铁基催化剂更为常见。催化剂的活性与温度：费托合成催化剂的活性与其表面上的活性组分密切相关，这些活性组分通常由金属氧化物、还原态金属和氧化铁等物质组成。其中，还原态铁是费托合成熔铁催化剂的主要催化活性组分，能够促进气态反应物之间的化学反应，从而提高反应效率。对于不同金属催化剂，其适宜的使用温度也不同。例如，钴和镍催化剂的合适使用温度为170～190℃，而铁催化剂的适宜使用温度为200～350℃。应用领域：费托合成催化剂在化学工业中有着广泛的应用，不仅用于合成氨、合成甲醇、合成油等化学反应，还在芳香烃加氢等反应中发挥着重要作用。此外，该催化剂还可以应用于烟气脱硫、汽车尾气净化等环保领域。催化剂的改进与优化：为了提高费托合成催化剂的性能，研究人员进行了大量的改进工作。例如，通过使用不同的载体和加入不同的金属或非金属元素作为助剂，以改变催化剂的特性，达到更高的低碳烯烃收率。双金属催化剂，如Fe-Co、Fe-Ru双金属催化剂等，也作为费托合成制低碳烯烃反应的催化剂被研发出来，具有两种金属作为活性位点的优势。费托蜡的产生：费托蜡来源于费托合成的中间产物粗蜡，是费托合成工艺的一个重要产物。在石油化学工业发展之前，费托合成工艺可以说是化学工业与交通运输行业最重要的技术。目前，费托合成逐渐呈现高温化、大型化、产品多样化的特点。目前，最先进的高温费托合成装置，在生产高质量油品的同时还生产二三十种以上的高附加值化工产品，进一步延长煤化工产业链，增加下游产品种类。4、石油炼化催化剂几乎所有的石油炼制工艺都需要催化剂，包括催化裂化、催化重整、催化加氢、烷基化、醚化、催化脱氢脱硫。石油炼制催化剂更是占到了催化剂市场份额的1/3。最早使用的催化剂是沸石分子筛，X-、Y-型沸石，特别是Y-型沸石目前仍是催化裂化工艺的主要活性成份。目前，能够应用石油炼化的催化剂种类繁多、性能多样，如下：ZSM-5、USY、Pt/AL2O3、MoS2。主要类型与用途：石油炼化催化剂主要包括催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化、异构化、烷基化、叠合等过程中所用的催化剂。其中，催化裂化、催化重整、加氢精制是三种主要的石油炼制催化剂。这些催化剂有助于将原油转化为更有价值的化学品和燃料，如汽油、柴油和润滑油等。催化裂化催化剂：催化裂化催化剂是石油炼制过程中的关键。早期主要使用的催化剂类型是微球无定形硅酸铝催化剂，但随后稀土-X型、稀土-Y型、氢-Y型分子筛催化剂迅速取代了硅酸铝催化剂。近年来，催化剂的改进包括使用硅溶胶或铝溶胶作为粘结剂，将分子筛和高岭土粘结在一起，制成新一代的高密度、高强度半合成分子筛催化剂。催化重整催化剂：催化重整催化剂主要用于改善汽油的辛烷值和质量。通过重整反应，催化剂能够将石油中的烃类分子重新排列，生成高辛烷值的汽油组分。加氢精制催化剂：加氢精制催化剂主要用于去除石油中的硫、氮等杂质，提高石油产品的质量。在加氢过程中，催化剂与氢气一起作用，使石油中的不饱和烃和含硫、含氮化合物发生加氢反应，转化为饱和烃和低毒性的化合物。其他催化剂：除了上述三种主要的石油炼制催化剂外，还有其他一些催化剂用于石油炼制的特定过程，如异构化催化剂用于改善汽油的辛烷值和燃烧性能，烷基化催化剂用于生产高辛烷值的汽油组分等。催化剂的改进与发展：随着科学技术的不断进步，石油炼化催化剂也在不断改进和发展。新的催化剂材料和制备方法的出现，使得催化剂的活性、选择性和稳定性得到了显著提高。同时，催化剂的环保性能也得到了改善，减少了炼油过程中的污染物排放。总的来说，石油炼化催化剂是石油炼制过程中的重要组成部分，它们对于提高石油炼制效率、改善产品质量和减少环境污染等方面都具有重要意义。随着科技的不断发展，未来还将有更多新型的、高效的石油炼化催化剂问世，为石油工业的发展提供有力支持。5、手性选择催化剂手性选择催化剂是一类特殊的催化剂，其特点在于能够诱导不对称反应，使反应物在特定的方向上发生反应，从而实现手性选择性。这类催化剂在合成具有手性特征的化合物中发挥着关键作用，被广泛应用于药物合成、天然产物全合成、聚合物合成以及化学传感器等领域。手性选择催化剂的主要应用领域是药物分子。一般情况下，同一种分子含有两种异构体，两者互为镜像，其中一种具有药理学作用，而另外一种没有作用。但是通常的化学工艺两种异构体同时生成，可能有药理学的反而产率极低。而催化剂的作用就是提高产率。最具代表性的催化工艺是治疗帕金森氏症的左旋多巴的合成。1974年，美国公司开发出了具有很高的选择性的催化剂，能在合成反应中选择性地催化左旋多巴的生成反应，使得产物几乎不含右旋多巴，这一成果使左旋多巴成为治疗帕金森氏症的首选药物。这一革新的例子，可以说是化学生产中利用催化剂的选择性的经典之作。催化剂类型手性选择催化剂主要包括手性金属配合物、手性有机小分子以及手性高分子等类型。这些催化剂通常具有特定的手性结构，能够与反应物形成特定的空间构型，从而引导反应在特定的方向上发生。通过对手性催化剂的设计和合成，可以实现对反应过程和产物结构的精确控制。工业应用在药物合成中，手性选择催化剂能够高效合成手性药物分子，提高药物的疗效和降低副作用。在天然产物全合成中，手性催化剂能够实现复杂天然产物的手性控制，为天然产物的开发和利用提供有力支持。此外，手性催化剂还可以应用于聚合物合成，控制聚合物的立构和空间构型，从而制备具有特定性能的材料。合成方法随着研究的深入，手性选择催化剂的设计和合成方法也在不断发展。新型手性配体的设计和合成是手性催化合成领域的核心，其出现往往与手性催化合成领域的突破性进展密切相关。此外，通过对催化剂活性中心的调控、优化反应条件以及与其他催化技术的结合，可以进一步提高手性选择催化剂的活性和选择性。总的来说，手性选择催化剂是一类具有高精度、高效率和高选择性的催化剂，在化学合成领域具有广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步，相信未来会有更多新型、高效的手性选择催化剂被开发出来，为化学工业的发展做出更大的贡献。6、三元催化剂三元催化剂的的主要作用就是将汽车尾气的中CO、NOx，HC等有毒化合物转化为CO2与水。因为目前的催化剂含有铂、钯、铑三种贵金属催化剂，所以被称为三元催化剂。1974年，第一个空气清洁法在美国实施，当时只控制CO和HC，所采用的汽车尾气处理催化剂为Pt-Pd氧化型催化剂；后来随着光化学烟雾对空气的破坏越来越严重，NOx也成为了空气排放的重要指标。1989年，福特汽车公司首次在试验中将Pd/Rh催化剂作为三效催化剂的组成部分,同时对CO、HC、NOx三种有害物起催化净化作用。三效催化剂从此成为汽车尾气处理工业的经典催化剂。形状与结构三元催化剂的形状类似于两个酒壶的底部粘贴在一起，这种设计有助于增加催化剂与废气的接触面积，提高催化效率。其表面通常会标有相关参数，便于识别和使用。外观特征新鲜的三元催化剂呈现亮白色，并具有金属光泽。然而，随着使用时间的增加，催化剂表面可能会出现褪色斑点或略呈青色和紫色的痕迹，这是由于废气中的有害物质与催化剂发生反应导致的。作用三元催化剂的主要功能是将汽车尾气中的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）氧化成二氧化碳（CO2）和水（H2O），同时将氮氧化物（NOx）还原成氮气和氧气。这一过程有助于显著减少汽车尾气对环境的污染。载体与催化剂三元催化剂的载体部件是一块多孔陶瓷材料，这种材料具有良好的耐热性、耐腐蚀性和机械强度，能够保证催化剂在高温和恶劣环境下的稳定性和活性。催化剂则是金属铂、铑、钯等，它们被喷涂在载体上，形成催化活性中心。应用领域除了在汽车尾气处理系统中使用外，三元催化剂还广泛应用于其他领域，如工业废气处理、能源转换等。通过催化反应，三元催化剂能够促进有害物质的转化，降低环境污染，提高能源利用效率。总之，三元催化剂是一种高效、环保的催化剂，它在汽车尾气处理和其他领域的应用中发挥着重要作用。随着科技的不断进步和环保要求的提高，三元催化剂的性能和效率也将得到不断提升。7、齐格勒-纳塔催化剂目前，各种形形色色的人造纤维、人造树脂和人造橡胶等高分子材料已经成为人们日常生活中不可或缺的重要组成部分。然而很少有人会意识到，所有这些材料的的生产，都离不开背后庞大的聚烯烃工业和推动聚烯烃工业跨越式发展的齐格勒-纳塔（Ziegler-Natta）催化剂。以前，烯烃化合物的聚合都需要在高压条件下进行，并且反应存在太多不足：副反应较多，压力过高，聚合度过低。最初在1953年前后，由德国化学家和意大利化学家共同发明，这一发现使他们荣获了1963年的诺贝尔化学奖。而另一种齐格勒纳塔催化剂（Ziegler-NattaCatalyst，简称Z-N催化剂）是1955年利用钴、铝、氯化铝和酸盐发明的一种高效催化剂。齐格勒-纳塔催化剂是一种均相催化剂，主要由过度金属的盐类与主族金属的烷基盐类组成。经过近70年的发展，齐格勒-纳塔催化剂已经由最初的均相往非均相发展。主要组成与合成：齐格勒-纳塔催化剂主要由四氯化钛（TiCl4）与三乙基铝[Al(C2H5)3]组成。其合成过程涉及四氯化钛与有机铝的相互作用，首先被还原至三氯化钛，然后被烷基化而得氯化烷基钛。烯烃络合在钛原子的空位，逐步聚合成长链。应用与特性：齐格勒-纳塔催化剂主要用于烯烃、双烯烃等聚合反应，能够生产聚乙烯、聚丙烯等聚合物。它能使烯烃在钛原子的空位上进行络合，从而逐步聚合成长链。这种聚合反应具有立构规整性，所得聚合物具有较高的立体规整性、密度和结晶度。例如，它已被用于高密度聚乙烯、全同立构的聚α-烯烃以及高顺式-1，4-聚双烯烃（顺丁橡胶、异戊橡胶）等的生产。催化剂的改进与优化：随着科技的进步，齐格勒-纳塔催化剂也在不断优化和改进。催化剂中不仅出现了由Ⅰ~Ⅲ族金属烷基化合物与Ⅳ~Ⅷ族过渡金属衍生物相互作用生成的络合物，还发展出了三元体系、多元体系，甚至加入了各种类型添加剂以提高催化活性和定向效应。8、电催化剂电化学催化剂是一类能够加速电化学反应的物质，广泛应用于能源转换和存储设备中，如燃料电池、金属-空气电池和电化学池等。它们具有许多优点，如高反应活性、高选择性、高稳定性等，能够降低反应能垒，提高反应速率，从而提高设备的效率和性能。电催化剂的应用主要是随着新能源产业的发展逐渐兴起的。近十年后，随着新能源比例的增加以及储能市场的扩大，氢能的制备与使用逐渐深入各行各业。如果要论规模，电催化剂的市场规模比例依旧很小，但是目前各