第1章-催化剂与催化作用基本知识

工业催化技术

Catalysisinindustrialprocesses美国著名心理学家布鲁姆在“掌握学习”理论中指出:“许多学生在学习中未能取得最优异成绩,问题不在智力方面,而是由于未得到他们各自特点所需要的教学帮助和学习,如果提供适当的教学条件,全面地、最大限度地开拓和促进每个学生的发展潜力,就能最终让绝大多数学生达到学习目的。”因此,教师必须在充分了解学生的基础上,针对学生的特点,设计合理的教学方法。教材主要教材：校本教材《工业催化技术》参考书：李玉敏编著《工业催化原理》

金杏妹编著《工业应用催化剂》

黄仲涛主编《工业催化》工业应用相关工程参考书：化学反应工程催化剂工程物理化学化工热力学课程学习的意义和目的1、催化剂是化工技术的核心

85%化学工业过程（石油加工、传统化学工业、食品工业、建材工业、精细化学品工业、环保产业等）是采用催化过程来实现的。催化剂的销售额在100-200亿美元。与催化剂相关的工艺设备销售收入可达数千亿美元。2、化工技术创新的重要领域与催化剂相关的专利占化学工艺技术、设备、方法等化工专利的绝大部分。第一章催化作用与催化剂固体催化剂的组成与结构1催化作用的特征2催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求4催化反应和催化剂的分类3催化作用与催化剂一、催化剂的认识定义组成评价指标①活性组分②助催化剂③载体催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催化作用。

①活性②选择性③使用寿命④机械强度和稳定性⑤形状尺寸、比表面积、空容积等物理性状催化剂和催化作用(CatalystandCatalysis)催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度，却不改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显地消耗的化学物质。催化剂是一种可以改变一个化学反应速度物质。催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。二、固体催化剂的组成固体催化剂主催化剂maincatalyst助催化剂载体supportcarrier结构型助催化剂调变型助催化剂扩散型助催化剂毒化型助催化剂又称活性组分催化剂的主要成分思考！定义二、固体催化剂的组成助催化作用传热和稀释作用支撑作用稳定化作用分散作用载体三、固体催化剂的结构四、催化剂的表示方法1、用“/”来区分载体与活性组分如：Ru/Al2O3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2Au/C2、用“—”来区分各活性组分及助剂

Pt-Sn/Al2O3，Fe-AL2O3-K2O第二章催化剂与催化作用固体催化剂的组成与结构1催化反应和催化剂的分类3催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求4催化作用的特征2一、催化剂的基本特征①催化剂能加快化学反应速率，但它本身并不进入化学反应的计量。②催化剂对反应具有选择性③催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应基本特征④催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。1、催化剂是否参与了化学反应催化循环图2、催化剂对加速化学反应具有选择性表1催化剂对可能进行的特定反应的选择催化作用反应物催化剂及反应条件产物CO+H2Rh/Pt/SiO2，573K，7×105Pa乙醇Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K,1.0133×107～

2.0266×107Pa甲醇Rh络合物,473～573K,5.0665×107～3.0399×108Pa乙二醇Cu,Zn,493K,3×106Pa二甲醚Ni,473～573K,1.0133×105Pa甲烷Co,Ni,473K,1.0133×105Pa和成汽油2、催化剂对加速化学反应具有选择性热反应时生成CO2比生成甲醛的能垒小很多甲醇氧化反应的不同能垒变化示意图催化反应时，生成CO和CO2的能垒明显高于生成甲醛的能垒反应产物具有选择性的主要原因仍然是由于催化剂可以显著降低主反应的活化能，而副反应活化能的降低则不明显CH3OH+O2=CO2+2H2OCH3OH+O2=HCHO+2H2O2、催化剂选择性理解1、不同催化剂对特定的反应体系有选择性（机理选择性）2、催化剂因催化剂结构不同导致选择性（扩散选择性）。问题1：催化剂的选择性在工业上有何意义？3、催化作用不能改变化学平衡催化剂催化剂在反应体系中含量达到平衡时的体积增量SO20.028.19SO20.0638.34SO20.0798.20ZnSO42.78.13HCl0.158.15草酸0.528.27磷酸0.548.10平均8.19表2在不同催化剂存在下三聚乙醛解聚的平衡浓度3、催化作用不能改变化学平衡关于可逆反应根据微观可逆原理，假如一个催化反应是可逆的，则一个加速正反应速率的催化剂也应加速逆反应速率，以保持K平不变（K平＝K正/K逆）。也就是说：同样一个能加速正反应速率控制步骤的催化剂也应该能加速逆反应速率。3、催化作用不能改变化学平衡第一，对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操作条件（温度、压力、进料组成）往往会有很大差别，这对催化剂可能会产生一些影响。第二，对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的，因为这些副反应会引起催化剂性能变化。问题2：实际工业上催化正反应、逆反应时为什么往往选用不同的催化剂？4、催化作用改变反应历程而改变反应速度反应难以进行使合成氨实现工业生产4、催化剂改变反应历程意味着1、催化剂参与反应物之间的化学反应2、通过反应历程改变使化学反应的所需克服的能垒数值大大减少。结果：

催化反应相对常规化学反应发生的条件温和得多，甚至常规条件下难以发生的反应，在催化剂参与下实现了工业化生产。第二章催化作用和催化剂固体催化剂的组成与结构1催化作用的特征2催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求4催化反应和催化剂的分类3一、催化反应分类酶催化反应同时具有均相和非均相反应的性质。非均相催化反应是指反应物和催化剂居于不同相态的反应。均相催化反应是指反应物和催化剂居于同一相态中的反应。1、按催化反应系统物相的均一性进行分类均相催化反应酶催化反应非均相（又称多相）催化反应一、催化反应分类2、按反应类型进行分类反应类型常用催化剂加氢Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63-脱氢Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt氧化V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2羰基化Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pph3聚合CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3卤化AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2裂解SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土水合H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂烷基化，异构化H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛一、催化反应分类3、按反应机理进行分类酸碱型催化反应酸碱型催化反应的反应机理可认为是催化剂与反应物分子之间通过电子对的授受而配位，或者发生强烈极化，形成离子型活性中间物种进行的催化反应。氧化还原型催化反应氧化还原型催化反应机理可认为是催化剂与反应物分子间通过单个电子转移，形成活性中间物种进行催化反应。一、催化反应分类4、酸碱型及氧化还原型催化反应比较比较项目酸碱型催化反应氧化还原型催化反应催化剂与反应物之间作用电子对的接受或电荷密度的分布发生变化单个电子转移反应物化学变化非均裂或极化均裂生成活性中间物种自旋饱和的物种（离子型物种）自旋不饱和的物种（自由基型物种）催化剂自旋饱和分子或固体物质自旋不饱和分子或固体物质催化剂举例酸，碱，盐，氧化物，分子筛过渡金属，过渡金属氧（硫）化物，过渡金属盐，金属有机络合物反应举例裂解，水合，脂化，烷基化，歧化，异构化加氢，脱氢，氧化，氨氧化二、催化剂分类

按固体催化剂导电性及化学形态分类类别化学形态催化剂举例催化反应举例导体过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu加氢，脱氢，氧化，氢解半导体氧化物或硫化物V2O5,Cr2O3,MoS2,NiO,ZnO,Bi2O3氧化，脱氢，加氢，氨氧化绝缘体氧化物盐Al2O3,TiO2,Na2O,MgO,分子筛NiSO4,FeCl3,分子筛,AlPO4脱水，异构化，聚合，烷基化，脂化，裂解第二章催化剂与催化反应性能催化反应和催化剂的分类3催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求4固体催化剂的组成与结构1催化作用的特征2一、催化剂的反应性能1.性能评价收率活性选择性一、催化剂的反应性能2.催化剂的活性3转化率表示法CA%=反应物A转化掉的量/流经催化床层进料中反应物A的总量×100%1反应速率表示法2反应速度常数表示法一、催化剂的反应性能3.选择性（S%）4.收率/产率（Y%）一、催化剂的反应性能5.催化剂的稳定性化学稳定性耐热稳定性抗毒稳定性机械稳定性二、对工业催化剂的要求

理想催化剂的要求

课程小结思考题：1、合成氨催化剂主要活性组分为什