催化剂综述 2

催化化学论文设计

催化化学论文（设计）

催化剂综述

学 院： 化学与化工学院 专 业： 应用化学

班 级： 学生姓名： 指导教师：

2014年6月

催化化学论文设计

目录

摘要 ........................................................................ 1 1催化剂及催化作用 ........................................................... 1

1.1催化剂及催化作用的概念 ............................................... 1 1.2 催化作用的一般原理 ................................................... 1 1.3 催化作用分类 ......................................................... 2

1.3.1多相催化反应(Heterogeneous catalysis) .......................... 2 1.3.2 均相催化反应(Homogeneous catalysis) ............................ 2 1.3.3酶催化(Enzymes catalysis) ...................................... 3

2 催化剂的相关名词 ........................................................... 3

2.1活性(catalytic activity) ............................................. 3 2.2比活性 ............................................................... 3 2.3选择性 ............................................................... 3 2.4稳定性 ............................................................... 3 2.5耐热稳定性 ........................................................... 4 2.6抗毒稳定性 ........................................................... 4 2.7 催化剂中毒 ........................................................... 4 2.8 失活 ................................................................. 4 3 催化剂的评估 ............................................................... 5 4 催化剂的分类 ............................................................... 5

4.1根据聚集状态分类 ..................................................... 6 4.2根据化学键的分类 ..................................................... 6 4.3 按元素周期律分类 ..................................................... 6 4.4 按催化剂作用机理 ..................................................... 6

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催化剂综述

摘要：本文主要讲述催化剂及催化作用的概念、相关原理、跟催化剂有关的部分名词解释、

影响催化剂本身价值的相关因素、最后介绍催化剂常见的几种分类。

1催化剂及催化作用

1.1催化剂及催化作用的概念

催化剂：能够加速反应的速度而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化，即不改变化学反应的平衡。将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催化剂再回到其原始状态。更简单地说，催化剂是一种加速化学反应，而在其过程中自身不被消耗掉的物质。

催化剂所起的作用称为催化作用。而涉及到催化剂的反应称为催化反应。

1.2 催化作用的一般原理

催化作用是通过加入催化剂，实现低活化能的化学反应途径，从而加速化学反应。反应中不仅降低反应物的活化能，同时也降低生成物的活化能，在可逆反应中不仅能加速正反应，同时也加速逆反应。但是催化剂只改变反应速率，不改变化学平衡。催化原理如图：

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催化与非催化反应中的能量变化

1.3 催化作用分类

以物相分类

1.3.1多相催化反应(Heterogeneous catalysis)

又称非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中，即和它们催化的反应物

处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。多用于化学工业。 1.3.2 均相催化反应(Homogeneous catalysis)

催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化

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作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和色可赛思固体酸和碱性催化剂。溶性过渡金属化合物(盐类和络合物)等。均相催化剂以分子或离子起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。多指溶液中有机金属化合物催化剂的催化作用。 1.3.3酶催化(Enzymes catalysis)

是由组成十分复杂的蛋白质为催化剂的反应。反应条件温和，活性和选择

性非常高。酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物。酶的催化具有选择性。

2 催化剂的相关名词

2.1活性(catalytic activity)

在特定反应条件下，单位质量（或体积）催化剂在单位时间内所生成的产物

质量。单位：g产品/(g催化剂h)或g产品/(ml催化剂h)或t产品/(m3催化剂d) ，催化剂活性是评估催化剂好坏的一个重要因素。

2.2比活性

相对于催化剂某一特定性质而言的活性。例如：每单位表面积的活性，每单

位活性中心的活性。

2.3选择性

生成目的产物所消耗的原料量与反应过程中消耗的原料总量之比。 2.4稳定性

催化剂在反应前后维持活性和选择性的能力。

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2.5耐热稳定性

催化剂在高温苛刻反应条件下，长期具有稳定的催化性能。要求：良好导热

性能，较高热容量；较宽适应温度。

2.6抗毒稳定性

催化剂对少量有害杂质的毒化所具备的抵制能力。

不同催化剂对不同杂质具有不同的抗毒稳定性，同一种催化剂，对同一种杂质在不同的反应条件下，也有不同的抗毒稳定性。

2.7 催化剂中毒

催化剂在使用过程中，由于反应介质中存在少量杂质，或是由于催化剂在制

备时夹杂有少量杂质而引起的活性下降。

均匀吸附中毒: 毒物分子均匀地分布在催化剂孔道内表面而引起的中毒；

孔口中毒：毒物分子与催化剂表面仅需很少次数碰撞就使催化剂孔进口处内表面完全中毒，而孔道深处表面未被污染，又称选择性中毒。

可逆中毒：由暂时性毒物所引起，活性可恢复。

不可逆中毒：由永久性毒物引起，很难去掉，活性不易恢复。

2.8 失活

催化剂使用过程中由于中毒、积碳（carbon deposition）、融熔（Sintering)

而失活。

导致催化剂失活的主要因素： 一、催化剂表面析炭； 二、活性表面因吸附原料中所夹带的有关杂质 ；三、活性组分的挥发、流失，负载活性金属烧结或微晶粒子长大都会使活性不可逆的衰退 ；四、化学物种对载体的侵蚀，以及载体孔结构的烧结导致孔道崩塌，催化剂强度丧失而失活 。

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3 催化剂的评估

催化剂并非所有的部分都参与反应物到产物的转化，因此那些参与的部分被

称为活性中心。大多数工业催化剂使用的形式是多孔小球，每一个小球一般包含多个催化中心。

活性位 (active site)：在催化剂中真正起催化作用的那部分原子或原子集团。如质子、配位络合物、表面原子簇等。一般用“*”表示。

转换频率是指每个催化中心上单位时间内产生的给定产物的分子数。 评估一种固体催化剂的好坏，不仅看转换率，同时还要看催化剂孔、表面积的大小，同时催化剂的使用寿命也决定做催化剂的价值。这三者是主要因素。

4 催化剂的分类

催化剂的分类有很多种，以下是部分分类介绍从理论上讲，任何物质，无论是气体、液体，还是固体，均可作为催化剂。

从催化剂的聚集状态看，它可以从最简单的单质（如氢离子，卤素离子）到复杂的高分子（如酶、核酸等）。现在，合成单纯催化剂的时代已经过去，许多有实际意义的催化剂无一不是成分复杂的聚集体。因此根据催化剂的聚集状态，将催化剂分成固体、液体和气体，并不能反映出催化剂的作用本质和内在联系。显然，最合理的分类是把催化剂的作用机理和反应中化学键的本质以及和元素周期律相联系。

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4.1根据聚集状态分类

4.2根据化学键的分类

金属键(Pt)、离子键(MnO2)、配位键等(BF3)，催化反应有自由基反应、氧化还原反应、酸碱反应（配合物形成反应）、金属键反应。

4.3 按元素周期律分类

主族元素：电负性不大，本身反应活性大，很少被用作催化剂，只具有酸-碱催化作用。

过渡元素：具有易转移的电子（d电子或f电子），容易发生电子转移。过渡元素的单质（金属）以及离子（氧化物、硫化物、卤化物及其配全物）都具有较好的氧化还原催化性能，同时还具有酸-碱催化性能。

4.4 按催化剂作用机理

氧化还原;催化剂使反应物分子中的键均裂出现不成对电子，并在催化剂的

电了参与下与催化剂形成均裂键。反应的重要步骤是催化剂和反应物之间的单电子交换。 对这类反应具有催化活性的固体有接受和给出电子的能力，包括过渡金属和它们的化合物，还包括非化学计量的过渡金属化合物。 催化反应包括：加氢、脱氢、氧化、脱硫等。

酸碱催化:这类反应属于离子型机理，可以从广义的酸、碱概念来理解催化剂

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作用。 催化剂有主族元素的简单氧化物或它们的复合物以及有酸-碱性质盐。 催化反应包括水合、脱水、裂化、烷基化、异构化、歧化、聚合等。 配位催化:催化剂与反应物分子发生配位作用而使后者活化。所用的催化剂是有机过渡金属化合物。这类催化反应有烯烃氧化、烯烃氢甲酰化、烯烃聚合、烯烃加氢、烯烃加成、甲醇羰基化、烷烃氧化、芳烃氧化、酯交换等。