《工業(yè)催化基礎(chǔ)》講義

1、工業(yè)催化基礎(chǔ)講義第一節(jié) 工業(yè)催化在國計(jì)民生中的作用 一、催化劑現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石一、催化劑現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石 90以上的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出的，沒以上的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出的，沒有催化劑，就不可能建立現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。有催化劑，就不可能建立現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。 如：如： 無機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硝酸、硫酸等的生產(chǎn)。無機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硝酸、硫酸等的生產(chǎn)。 石油加工中的催化裂化、催化重整等過程。石油加工中的催化裂化、催化重整等過程。 石油化工中醇、醛、酸、酯的生產(chǎn)。石油化工中醇、醛、酸、酯的生產(chǎn)。 三大合成高分子材料的生產(chǎn)。三大合成高分子材料的生產(chǎn)。 煤化工與天然氣化工過程。煤化工與天然氣

2、化工過程。 生物化工中的酶催化過程。生物化工中的酶催化過程。 環(huán)保催化過程等。環(huán)保催化過程等。化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2第一節(jié) 工業(yè)催化在國計(jì)民生中的作用 二、二十世紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明二、二十世紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明 化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3第一節(jié) 工業(yè)催化在國計(jì)民生中的作用 化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 一、催化劑和催化作用：一、催化劑和催化作用： 何謂催化劑？先看一個(gè)例子：通常情況下，將何謂催化劑？先看一個(gè)例子：通常情況下，將N2分子和分子和H

3、2分子混合在一個(gè)惰性的容器中。即使在分子混合在一個(gè)惰性的容器中。即使在500下，也幾乎下，也幾乎檢測不到檢測不到NH3的生成。雖然的生成。雖然N2分子和分子和H2分子化合生成分子化合生成NH3是是一個(gè)熱力學(xué)允許的可逆放熱反應(yīng)：一個(gè)熱力學(xué)允許的可逆放熱反應(yīng)： N2+3H2 NH3 H 500oC109 kJ/mol 但如果在但如果在N2分子和分子和H2分子混合氣體的體系中有少量分子混合氣體的體系中有少量Fe存在存在,就會(huì)有就會(huì)有NH3生成，其中生成，其中Fe稱為催化劑，對(duì)稱為催化劑，對(duì)NH3的生成起著關(guān)的生成起著關(guān)鍵的作用。鍵的作用。化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4、5第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋喝绻麤]有催化劑，如果沒有催化劑，N2分子和分子和H2分子化合生成分子化合生成NH3是一個(gè)均相的化學(xué)反應(yīng)過程。即要經(jīng)過是一個(gè)均相的化學(xué)反應(yīng)過程。即要經(jīng)過N2分子的分子的NN鍵和鍵和H2分子的分子的HH鍵斷裂和鍵斷裂和NH3分子分子NH鍵的形成。鍵的形成。由于由于N2分子和分子和H2分子的鍵能很高，都非常穩(wěn)定。分子的鍵能很高，都非常穩(wěn)定。因此因此N2分子和分子和H2分子經(jīng)均相化學(xué)反應(yīng)合成分子經(jīng)均相化學(xué)反應(yīng)合成NH3需要很大的能量，即反應(yīng)的活化能很高。需要很大的能量，即反應(yīng)的活化能很高。在在500，常壓條件下活化能為，常壓條件下活化能為334.6 kJ/mo

5、l，在這種情況下，氨合成的反應(yīng)極慢，以致生成在這種情況下，氨合成的反應(yīng)極慢，以致生成氨的量甚微，常規(guī)方法都難以測出。氨的量甚微，常規(guī)方法都難以測出?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 但：但：采用采用Fe作為催化劑時(shí)，作為催化劑時(shí)，N2分子和分子和H2分子化合生分子化合生成成NH3的途徑就發(fā)生了變化。的途徑就發(fā)生了變化。現(xiàn)代研究表明，現(xiàn)代研究表明，N2分子和分子和H2分子首先在分子首先在Fe催化催化劑表明發(fā)生化學(xué)吸附，這使得劑表明發(fā)生化學(xué)吸附，這使得N2分子和分子和H2分子分子的化學(xué)鍵削弱以至斷裂，然后化學(xué)吸附的氮（的化學(xué)鍵削弱以至斷裂，

6、然后化學(xué)吸附的氮（Nad）和化學(xué)吸附的氫（）和化學(xué)吸附的氫（Had）在催化劑表面）在催化劑表面相互作用，并經(jīng)過一系列的表面化學(xué)反應(yīng)，最相互作用，并經(jīng)過一系列的表面化學(xué)反應(yīng)，最后生成的后生成的NH3分子從催化劑表面脫附，生成產(chǎn)分子從催化劑表面脫附，生成產(chǎn)物物NH3。反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量關(guān)系如下：反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量關(guān)系如下：第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量如下：反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量如下：化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 8Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lec

7、ture) by Gerhard Ertl Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 3535第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 9實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)表明，在500、常壓、常壓的反應(yīng)條件下的反應(yīng)條件下，催化反應(yīng)比，催化反應(yīng)比相同條件下的相同條件下的均相非催化反均相非催化反應(yīng)的反應(yīng)速率應(yīng)的反應(yīng)速率要高出要高出13個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，催化反量級(jí)，催化反應(yīng)示意圖如圖應(yīng)示意圖如圖所示所示 1981年，年，IUPAC對(duì)催化劑的定義：催化劑是一種物質(zhì)，它能夠改對(duì)催化劑的定義：催化劑是一種物質(zhì)，它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而不改變?cè)?/p>

8、反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)變化學(xué)反應(yīng)的速率，而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化；自由焓變化；此過程稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)。此過程稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)。第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 二、催化劑的基本特征：二、催化劑的基本特征：1、催化劑只能加速熱力學(xué)可行的反應(yīng)，不能實(shí)、催化劑只能加速熱力學(xué)可行的反應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)不可能的反應(yīng)；現(xiàn)熱力學(xué)不可能的反應(yīng)；2、催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，不能改變、催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，不能改變化學(xué)平衡的位置；化學(xué)平衡的位置；3、催化劑能降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)的歷、催化劑能降低反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)的歷 程；程；4、催化劑對(duì)反

9、應(yīng)具有選擇性。、催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 10第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 三、催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域：三、催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域：石油煉制：石油煉制是指對(duì)不同沸釋的石油餾分石油煉制：石油煉制是指對(duì)不同沸釋的石油餾分經(jīng)催化轉(zhuǎn)化成各種燃料油，潤滑基礎(chǔ)油，化工原經(jīng)催化轉(zhuǎn)化成各種燃料油，潤滑基礎(chǔ)油，化工原料的過程。這是催化劑最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。使用料的過程。這是催化劑最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。使用的催化劑包括各種固體酸，分子篩，負(fù)載型金屬的催化劑包括各種固體酸，分子篩，負(fù)載型金屬催化劑等；催化劑反應(yīng)過程要有催化裂化，催化催化劑等；催化劑反應(yīng)過程要有催化裂化

10、，催化重整，催化加氫處理等?；し磻?yīng)工藝則有固定重整，催化加氫處理等?；し磻?yīng)工藝則有固定床、流化床、提升管催化裂化、鉑重整、連續(xù)移床、流化床、提升管催化裂化、鉑重整、連續(xù)移動(dòng)床低壓鉑重整、常壓渣油催化裂化等。動(dòng)床低壓鉑重整、常壓渣油催化裂化等。化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 11第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 石油化工：石油化工是指一切以石油烴為原料生石油化工：石油化工是指一切以石油烴為原料生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品的催化過程。包括一些基本有機(jī)產(chǎn)各種化工產(chǎn)品的催化過程。包括一些基本有機(jī)化工原料合成的催化過程。能用的催化劑種類很化工原料合成的催化過程。能用的催化劑種類很多。一些

11、重要的催化過程有：催化加氫與脫氫；多。一些重要的催化過程有：催化加氫與脫氫；催化水合與脫水；烴類的異構(gòu)和芳構(gòu)；芳烴烷基催化水合與脫水；烴類的異構(gòu)和芳構(gòu)；芳烴烷基化，歧化及烷基轉(zhuǎn)移；烯烴二聚及齊聚等?；?，歧化及烷基轉(zhuǎn)移；烯烴二聚及齊聚等?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 12第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 細(xì)精化工：細(xì)精化工是指對(duì)基本化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)細(xì)精化工：細(xì)精化工是指對(duì)基本化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的初級(jí)或次級(jí)化學(xué)品進(jìn)行深加工，特別具有特的初級(jí)或次級(jí)化學(xué)品進(jìn)行深加工，特別具有特定功能，特定用途且附加值高的化工產(chǎn)品的化定功能，特定用途且附加值高的化工產(chǎn)品的化工過程。涉汲到氧化反應(yīng)，還原反

12、應(yīng)，碳鏈增工過程。涉汲到氧化反應(yīng)，還原反應(yīng)，碳鏈增減反應(yīng)，重排反應(yīng)，雜環(huán)合成反應(yīng)，不對(duì)稱合減反應(yīng)，重排反應(yīng)，雜環(huán)合成反應(yīng)，不對(duì)稱合成工藝等。廣泛使用酸堿催化劑，超強(qiáng)酸堿催成工藝等。廣泛使用酸堿催化劑，超強(qiáng)酸堿催化劑，分子篩擇形催化劑，金屬化合物和配合化劑，分子篩擇形催化劑，金屬化合物和配合物催化劑，手性催化劑，相轉(zhuǎn)移催化劑等。物催化劑，手性催化劑，相轉(zhuǎn)移催化劑等?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 13第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 合成材料：合成材料：合成樹脂，合成纖維，合成橡膠這三大合成材料的合成樹脂，合成纖維，合成橡膠這三大合成材料的生產(chǎn)過程中，催化劑起著關(guān)鍵的作用

13、生產(chǎn)過程中，催化劑起著關(guān)鍵的作用 在聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等的生產(chǎn)，以及高分子單在聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等的生產(chǎn)，以及高分子單體的生產(chǎn)過程中都要使用多種催化劑；體的生產(chǎn)過程中都要使用多種催化劑； 在合成纖維工業(yè)中，滌綸（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）纖維的生在合成纖維工業(yè)中，滌綸（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）纖維的生產(chǎn)需要甲苯歧化，二甲苯異構(gòu)化，對(duì)二甲苯氧化，對(duì)苯二甲酸酯產(chǎn)需要甲苯歧化，二甲苯異構(gòu)化，對(duì)二甲苯氧化，對(duì)苯二甲酸酯化，乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，對(duì)苯二甲酸與乙二醇縮聚等多個(gè)過程?；蚁┭趸骗h(huán)氧乙烷，對(duì)苯二甲酸與乙二醇縮聚等多個(gè)過程。其中每一過程都要使用催化劑；在腈綸（聚丙烯腈）纖維的

14、生產(chǎn)其中每一過程都要使用催化劑；在腈綸（聚丙烯腈）纖維的生產(chǎn)中，要用到丙烯氨氧化等多種催化劑；在維倫（聚乙烯醇）纖維中，要用到丙烯氨氧化等多種催化劑；在維倫（聚乙烯醇）纖維生產(chǎn)中，無論是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯，均是催化劑參生產(chǎn)中，無論是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯，均是催化劑參與的催化過程；與的催化過程； 在合成橡膠工業(yè)中，丁苯橡膠，順丁橡膠，異戊橡膠，乙丙橡在合成橡膠工業(yè)中，丁苯橡膠，順丁橡膠，異戊橡膠，乙丙橡膠等主要品種的生產(chǎn)中都要使用催化劑。一些單體的生產(chǎn)，為丁膠等主要品種的生產(chǎn)中都要使用催化劑。一些單體的生產(chǎn)，為丁烯氧化脫氫制丁二烯，苯烷基化制乙苯。乙苯脫氫制苯乙烯，異烯氧化脫氫

15、制丁二烯，苯烷基化制乙苯。乙苯脫氫制苯乙烯，異戊烷制異戊二烯等也都需要催化劑。戊烷制異戊二烯等也都需要催化劑?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 14第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 碳一化學(xué)：碳一（碳一化學(xué)：碳一（C1）化學(xué)主要研究含一個(gè)碳原子的）化學(xué)主要研究含一個(gè)碳原子的化合物，如甲烷，甲醇，化合物，如甲烷，甲醇，CO，CO2，HCN等參與的化等參與的化學(xué)反應(yīng)。目前已可按學(xué)反應(yīng)。目前已可按C1化學(xué)的路線，從煤和無燃?xì)獬龌瘜W(xué)的路線，從煤和無燃?xì)獬霭l(fā)，生產(chǎn)出新型的合成燃料，以及乙烯，丙烯，芳烴等發(fā)，生產(chǎn)出新型的合成燃料，以及乙烯，丙烯，芳烴等重要的起始化工原料。而這些新工藝

16、的開發(fā)，首先要解重要的起始化工原料。而這些新工藝的開發(fā)，首先要解決催化劑這一關(guān)鍵問題。特別是煤經(jīng)合成氣（決催化劑這一關(guān)鍵問題。特別是煤經(jīng)合成氣（CO+H2）制甲醇，由制甲醇，由F-T合成制汽油，柴油，甲醇催化轉(zhuǎn)化制乙合成制汽油，柴油，甲醇催化轉(zhuǎn)化制乙烯，丙烯等可大大緩解對(duì)石油的消耗，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有烯，丙烯等可大大緩解對(duì)石油的消耗，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。重要的意義。化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 15第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 基礎(chǔ)無機(jī)化工：基礎(chǔ)無機(jī)化工產(chǎn)品如硫酸，硝酸，基礎(chǔ)無機(jī)化工：基礎(chǔ)無機(jī)化工產(chǎn)品如硫酸，硝酸，合成氨等種類雖然不多，但產(chǎn)品相當(dāng)大。其中硫合成氨

17、等種類雖然不多，但產(chǎn)品相當(dāng)大。其中硫酸是世界產(chǎn)量最大的合成化學(xué)品之一。目前硫酸酸是世界產(chǎn)量最大的合成化學(xué)品之一。目前硫酸的生產(chǎn)是為催化劑氧化的生產(chǎn)是為催化劑氧化SO2制得。硝酸在鉑銠制得。硝酸在鉑銠催化劑作用下，用氨的催化氧化法制得。合成氨催化劑作用下，用氨的催化氧化法制得。合成氨工業(yè)使用的催化劑達(dá)工業(yè)使用的催化劑達(dá)8種以上。包括加氫脫硫鈷種以上。包括加氫脫硫鈷鉬基，鋅基催化劑。一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化鎳基催鉬基，鋅基催化劑。一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化鎳基催化劑。中溫變換鐵基催化劑，低溫變換銅基催化化劑。中溫變換鐵基催化劑，低溫變換銅基催化劑，甲烷化鎳基催化劑，氨合成鐵基催化劑等。劑，甲烷化鎳基催化劑，氨合成鐵

18、基催化劑等?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 16第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 生物催化：生物催化：生物催化是指在生物催化劑（俗稱酶）作用下的反應(yīng)過生物催化是指在生物催化劑（俗稱酶）作用下的反應(yīng)過程。雖然酶是不同于化學(xué)催化劑的另一種類型的催化劑，但現(xiàn)代現(xiàn)象程。雖然酶是不同于化學(xué)催化劑的另一種類型的催化劑，但現(xiàn)代現(xiàn)象表明，酶催化過程的物理化學(xué)規(guī)律與化學(xué)催化劑是一致的。只不過酶表明，酶催化過程的物理化學(xué)規(guī)律與化學(xué)催化劑是一致的。只不過酶的催化作用是生化反應(yīng)的核心?；瘜W(xué)催化劑是化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵，并且的催化作用是生化反應(yīng)的核心?；瘜W(xué)催化劑是化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵，并且近年來生物催化與傳

19、統(tǒng)的化學(xué)催化的關(guān)系越來越密切，展現(xiàn)出了廣泛近年來生物催化與傳統(tǒng)的化學(xué)催化的關(guān)系越來越密切，展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。的應(yīng)用前景。 如農(nóng)藥工業(yè)中，以酶作催化劑已經(jīng)大量生產(chǎn)維生素，抗生素，激素如農(nóng)藥工業(yè)中，以酶作催化劑已經(jīng)大量生產(chǎn)維生素，抗生素，激素以及多種藥物，農(nóng)藥等。在食品工業(yè)中，用酶催化的生物化工方法，以及多種藥物，農(nóng)藥等。在食品工業(yè)中，用酶催化的生物化工方法，可以生產(chǎn)發(fā)酵食品，調(diào)味品，醇類飲料，有機(jī)酸，氨基酸，甜味劑，可以生產(chǎn)發(fā)酵食品，調(diào)味品，醇類飲料，有機(jī)酸，氨基酸，甜味劑，以及各種保健食品；在化學(xué)工業(yè)中，用生物催化劑已能生產(chǎn)許多中化以及各種保健食品；在化學(xué)工業(yè)中，用生物催化劑已能生產(chǎn)許多

20、中化工原料，為甲醇，乙醇，丁二醇，異丙醇，丙二醇，木糖醇，檸檬酸，工原料，為甲醇，乙醇，丁二醇，異丙醇，丙二醇，木糖醇，檸檬酸，葡萄糖酸，已二酸，丙酮，甘油，等。還可合成許多高分子化合物，葡萄糖酸，已二酸，丙酮，甘油，等。還可合成許多高分子化合物，如多糖，葡萄糖，可生物降解高聚物聚羥基丁酸等。如多糖，葡萄糖，可生物降解高聚物聚羥基丁酸等。 特別是在能源工業(yè)中，采用生物催化劑可以從纖維素，淀粉，有機(jī)特別是在能源工業(yè)中，采用生物催化劑可以從纖維素，淀粉，有機(jī)廢棄物等可再生資源大量生產(chǎn)甲烷，甲酸，乙酸等能源。這對(duì)于減少廢棄物等可再生資源大量生產(chǎn)甲烷，甲酸，乙酸等能源。這對(duì)于減少化石資源的消耗和凈氣體

21、化石資源的消耗和凈氣體CO2的排放。充分利用可再生資源，生物質(zhì)的排放。充分利用可再生資源，生物質(zhì)資源有重要的意義和應(yīng)用前景。資源有重要的意義和應(yīng)用前景?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 17第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 環(huán)境催化：環(huán)境催化是指利用催化劑控制環(huán)境不能環(huán)境催化：環(huán)境催化是指利用催化劑控制環(huán)境不能接收的化合物排放的化學(xué)過程。同時(shí)，它也包括那接收的化合物排放的化學(xué)過程。同時(shí)，它也包括那些應(yīng)用催化劑生產(chǎn)少污染的產(chǎn)物以及能減少廢物和些應(yīng)用催化劑生產(chǎn)少污染的產(chǎn)物以及能減少廢物和無副產(chǎn)污染物的綠色化學(xué)新過程。也就是說，應(yīng)用無副產(chǎn)污染物的綠色化學(xué)新過程。也就是說，應(yīng)用催

22、化劑可以將排放出的污染物轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)，或催化劑可以將排放出的污染物轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)，或者回收加以重新利用，可以在生產(chǎn)過程中盡可能地者回收加以重新利用，可以在生產(chǎn)過程中盡可能地減少污染物的排放量，以及無污染排放；并且用新減少污染物的排放量，以及無污染排放；并且用新的催化劑工藝制備化學(xué)品取代對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，的催化劑工藝制備化學(xué)品取代對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，從根本上解決環(huán)境污染問題，這些方面催化劑起著從根本上解決環(huán)境污染問題，這些方面催化劑起著關(guān)鍵的作用。如關(guān)鍵的作用。如SO2和和NOx的催化消除；機(jī)動(dòng)車尾的催化消除；機(jī)動(dòng)車尾氣的催化凈化；工業(yè)有機(jī)廢氣的催化治理；室內(nèi)空氣的催化凈化；工業(yè)有機(jī)廢氣的催化治

23、理；室內(nèi)空氣污染物的催化凈化；水中有機(jī)污染物的催化治理；氣污染物的催化凈化；水中有機(jī)污染物的催化治理；CO2的回收，固定和再利用；固體廢氣物的資源化的回收，固定和再利用；固體廢氣物的資源化和綜合利用等。和綜合利用等?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 18第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 四、常用術(shù)語四、常用術(shù)語1、催化劑活性、催化劑活性廣義的講，催化劑活性是廣義的講，催化劑活性是指催化劑轉(zhuǎn)化反應(yīng)物的能力指催化劑轉(zhuǎn)化反應(yīng)物的能力，但在不，但在不同情況下，其表達(dá)方式是不一致的。通常情況下，人們常以給定條件下同情況下，其表達(dá)方式是不一致的。通常情況下，人們常以給定條件下反應(yīng)物的

24、轉(zhuǎn)化率來表示。如反應(yīng)：反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率來表示。如反應(yīng)：若若A的初始量為的初始量為NA0(mol)，反應(yīng)后剩余的量為，反應(yīng)后剩余的量為NA(mol)，則反應(yīng)物，則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率（率（XA）為）為假設(shè)反應(yīng)溫度，反應(yīng)壓力，原料物質(zhì)濃度，接觸時(shí)間等都相同的話，轉(zhuǎn)假設(shè)反應(yīng)溫度，反應(yīng)壓力，原料物質(zhì)濃度，接觸時(shí)間等都相同的話，轉(zhuǎn)化率越高，表明催化劑的活性也越高。因此，這種表達(dá)方式比較直觀，化率越高，表明催化劑的活性也越高。因此，這種表達(dá)方式比較直觀，但它不能反映出反應(yīng)速率，因此再催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中，常用比活但它不能反映出反應(yīng)速率，因此再催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中，常用比活性來表達(dá)催化劑活性。性來表達(dá)催

25、化劑活性?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 19B+C%100(%)00AAAANNNX第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 對(duì)于固體催化劑，在消除了溫度梯度、濃度梯度的條件下，單位對(duì)于固體催化劑，在消除了溫度梯度、濃度梯度的條件下，單位表面積催化劑上的比活性稱為本征活性（表面積催化劑上的比活性稱為本征活性（a），可表示為：），可表示為：式中式中k為本征速率常數(shù)，為本征速率常數(shù)，S為催化劑的表面積。為催化劑的表面積。 沒有消除溫度梯度和濃度梯度的比活性稱為沒有消除溫度梯度和濃度梯度的比活性稱為表觀活性表觀活性（a），可表），可表示為：示為：式中式中 為表觀速率常數(shù)，為表觀速率

26、常數(shù)， 為效率因子。為效率因子。 用速率常數(shù)表達(dá)催化劑的活性時(shí)物理意義比較明確，并且催用速率常數(shù)表達(dá)催化劑的活性時(shí)物理意義比較明確，并且催化劑的比活性只取決于它的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，與其表面大小無化劑的比活性只取決于它的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，與其表面大小無關(guān)，因此也常常用來篩選催化劑。但速率常數(shù)一般與速率方程關(guān)，因此也常常用來篩選催化劑。但速率常數(shù)一般與速率方程有關(guān)，并且同一個(gè)催化反應(yīng)可能存在幾個(gè)不同形式的速率表達(dá)有關(guān)，并且同一個(gè)催化反應(yīng)可能存在幾個(gè)不同形式的速率表達(dá)式，使用時(shí)應(yīng)加以注意。式，使用時(shí)應(yīng)加以注意?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 20/ak s/aksk sak

27、第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 2、選擇性、選擇性 催化劑的選擇性是指催化劑的選擇性是指給定反應(yīng)物中某一產(chǎn)物的生成量與已轉(zhuǎn)化給定反應(yīng)物中某一產(chǎn)物的生成量與已轉(zhuǎn)化的原料量的比。的原料量的比。如上述反應(yīng)中產(chǎn)物如上述反應(yīng)中產(chǎn)物B的選擇性（的選擇性（SB）可以表達(dá)為：）可以表達(dá)為：式中式中NB（mol）為目標(biāo)產(chǎn)物）為目標(biāo)產(chǎn)物 B的生成量。的生成量。u 在計(jì)算選擇性應(yīng)注意，當(dāng)原料和在計(jì)算選擇性應(yīng)注意，當(dāng)原料和/ /或產(chǎn)物含量有多個(gè)組分時(shí)，必或產(chǎn)物含量有多個(gè)組分時(shí)，必須要說明選擇性的基準(zhǔn)。須要說明選擇性的基準(zhǔn)?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 21%100(%)0AABBNNNS第

28、二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 3、收率、收率 收率是指給定反應(yīng)產(chǎn)物的生成量和原料中某一組分加入量之收率是指給定反應(yīng)產(chǎn)物的生成量和原料中某一組分加入量之比。如上述反應(yīng)中產(chǎn)物比。如上述反應(yīng)中產(chǎn)物B的收率（的收率（Y）可表示為：）可表示為：此式表明收率是轉(zhuǎn)化率和選擇性的乘積。一個(gè)催化劑只有同時(shí)具此式表明收率是轉(zhuǎn)化率和選擇性的乘積。一個(gè)催化劑只有同時(shí)具有高轉(zhuǎn)化率和高選擇性，才具有高的活性。有高轉(zhuǎn)化率和高選擇性，才具有高的活性。另外，工業(yè)催化劑常以給定條件下另外，工業(yè)催化劑常以給定條件下(溫度，壓力，進(jìn)了組成，溫度，壓力，進(jìn)了組成，進(jìn)料空速均一定進(jìn)料空速均一定)單位時(shí)間內(nèi)，單位體積或單位質(zhì)量催化劑所得單位時(shí)

29、間內(nèi)，單位體積或單位質(zhì)量催化劑所得產(chǎn)物的量。即時(shí)空收率來表示。因?yàn)闀r(shí)空收率乘上反應(yīng)器填裝的產(chǎn)物的量。即時(shí)空收率來表示。因?yàn)闀r(shí)空收率乘上反應(yīng)器填裝的催化劑體積或質(zhì)量，就能直接給出單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物的量，催化劑體積或質(zhì)量，就能直接給出單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物的量，或直接給出完成一定的生產(chǎn)任務(wù)所需催化劑的體積或質(zhì)量，所以或直接給出完成一定的生產(chǎn)任務(wù)所需催化劑的體積或質(zhì)量，所以時(shí)空收率在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中使用起來很方便。時(shí)空收率在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中使用起來很方便?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 22BA0(%)100%Y第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 4、空速、空速 空速是指空速是指單位時(shí)

30、間內(nèi)通過單位體積（或質(zhì)量）單位時(shí)間內(nèi)通過單位體積（或質(zhì)量）催化劑的物料的體積（或質(zhì)量）數(shù)催化劑的物料的體積（或質(zhì)量）數(shù)。當(dāng)通過催化劑的物料是氣體時(shí)，常用當(dāng)通過催化劑的物料是氣體時(shí)，常用GHSV（氣體空速）（氣體空速）表示，單位為表示，單位為 h-1cm3/(cm3. h) 。當(dāng)通過催化劑的物料是液體時(shí)，常用當(dāng)通過催化劑的物料是液體時(shí)，常用WHSV (液時(shí)空速液時(shí)空速) 表示，單位為表示，單位為 h-1 ml/(ml. h)?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 23第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 5接觸時(shí)間接觸時(shí)間 觸時(shí)間是觸時(shí)間是指單位量的反應(yīng)物料（體積或質(zhì)量）指單位量的

31、反應(yīng)物料（體積或質(zhì)量）在反應(yīng)中通過單位量催化劑（體積或質(zhì)量）所在反應(yīng)中通過單位量催化劑（體積或質(zhì)量）所用的時(shí)間用的時(shí)間。通常接觸時(shí)間有兩種計(jì)算方法：。通常接觸時(shí)間有兩種計(jì)算方法： 空速的倒數(shù)空速的倒數(shù) 催化劑床層高度除以反應(yīng)物料的線速度。催化劑床層高度除以反應(yīng)物料的線速度?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 24第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 6活性位活性位 活性位光活性位光指催化劑中真正起催化作用的那些部指催化劑中真正起催化作用的那些部位。位。通常也稱為活性中心。通常也稱為活性中心。 催化劑的活性位在不同的催化劑中是不一樣的，它催化劑的活性位在不同的催化劑中是不一樣的，

32、它可以是一個(gè)質(zhì)子；固體表面的不飽和的原子；表面原可以是一個(gè)質(zhì)子；固體表面的不飽和的原子；表面原子簇（子簇（Cluster）；配位絡(luò)合物；蛋白質(zhì)上的膠束囊）；配位絡(luò)合物；蛋白質(zhì)上的膠束囊（Supermolecular pocket）等。在催化反應(yīng)中，反應(yīng)）等。在催化反應(yīng)中，反應(yīng)物或中間物能吸附在它上面。物或中間物能吸附在它上面。化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 25第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 7、轉(zhuǎn)換頻率、轉(zhuǎn)換頻率(Turnover Frequency,TOF) 轉(zhuǎn)換頻率是轉(zhuǎn)換頻率是指在給定溫度，壓力，反應(yīng)物比率，指在給定溫度，壓力，反應(yīng)物比率，以及一定的反應(yīng)程度下，

33、單位時(shí)間內(nèi)，單位活以及一定的反應(yīng)程度下，單位時(shí)間內(nèi)，單位活性位上發(fā)生反應(yīng)的次數(shù)。性位上發(fā)生反應(yīng)的次數(shù)。 可見，可見，TOF能準(zhǔn)確的反應(yīng)催化劑的活性。但由于催能準(zhǔn)確的反應(yīng)催化劑的活性。但由于催化劑活性位數(shù)目的測定比較困難，這就使得難以準(zhǔn)確化劑活性位數(shù)目的測定比較困難，這就使得難以準(zhǔn)確的獲得的獲得TOF。 例如，對(duì)于負(fù)載金屬催化劑，通常能夠做到的是測例如，對(duì)于負(fù)載金屬催化劑，通常能夠做到的是測量記算出暴露在表面上的金屬原子數(shù)，然而一個(gè)活性量記算出暴露在表面上的金屬原子數(shù)，然而一個(gè)活性位聚集的表面原子數(shù)究竟是幾個(gè)？表面上又有多少個(gè)位聚集的表面原子數(shù)究竟是幾個(gè)？表面上又有多少個(gè)這個(gè)的活性位呢？這些都是

34、較難確定的問題。因此，這個(gè)的活性位呢？這些都是較難確定的問題。因此，TOF多用于基礎(chǔ)研究方面多用于基礎(chǔ)研究方面 ?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 26第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 8、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性 催化劑穩(wěn)定性催化劑穩(wěn)定性是顯示其活性和選擇性隨時(shí)間變化的情況，是顯示其活性和選擇性隨時(shí)間變化的情況，通常通常以壽命表示。催化劑在反應(yīng)條件下操作一定活性和選擇性水平的時(shí)間以壽命表示。催化劑在反應(yīng)條件下操作一定活性和選擇性水平的時(shí)間稱為單程壽命；每次性能下降后經(jīng)再生又恢復(fù)到許可水平的累計(jì)時(shí)間稱為單程壽命；每次性能下降后經(jīng)再生又恢復(fù)到許可水平的累計(jì)時(shí)間稱為總壽命。催化劑穩(wěn)定性

35、包括熱穩(wěn)定性，抗毒穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性稱為總壽命。催化劑穩(wěn)定性包括熱穩(wěn)定性，抗毒穩(wěn)定性，機(jī)械穩(wěn)定性三個(gè)方面。三個(gè)方面。(1) 熱穩(wěn)定性：一種良好的催化劑，應(yīng)能在高溫苛刻的反應(yīng)條件下長期具有一熱穩(wěn)定性：一種良好的催化劑，應(yīng)能在高溫苛刻的反應(yīng)條件下長期具有一定水平的活性。然而大多數(shù)催化劑都有有效使用溫度，超過一定的范圍就會(huì)定水平的活性。然而大多數(shù)催化劑都有有效使用溫度，超過一定的范圍就會(huì)降低甚至完全喪失活性。影響使用壽命。溫度對(duì)催化劑的影響是多方面的，降低甚至完全喪失活性。影響使用壽命。溫度對(duì)催化劑的影響是多方面的，它可能使活性組分揮發(fā)，流失，負(fù)載活性組分燒結(jié)或微晶粒長大等。結(jié)果使它可能使活性組分揮

36、發(fā)，流失，負(fù)載活性組分燒結(jié)或微晶粒長大等。結(jié)果使得比表面積、活性晶面或活性位點(diǎn)減少而導(dǎo)致失活。溫度影響大致有這樣的得比表面積、活性晶面或活性位點(diǎn)減少而導(dǎo)致失活。溫度影響大致有這樣的規(guī)律：當(dāng)溫度為（規(guī)律：當(dāng)溫度為（Tm：熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度，即：熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度，即Tammann溫度）時(shí)，開始發(fā)生晶溫度）時(shí)，開始發(fā)生晶格表面質(zhì)點(diǎn)的遷移；當(dāng)溫度為時(shí)，開始發(fā)生晶格體相內(nèi)的指點(diǎn)遷移。格表面質(zhì)點(diǎn)的遷移；當(dāng)溫度為時(shí)，開始發(fā)生晶格體相內(nèi)的指點(diǎn)遷移。 催化劑的耐熱穩(wěn)定性是從使用溫度開始逐漸升溫，看它能夠忍受多高的溫催化劑的耐熱穩(wěn)定性是從使用溫度開始逐漸升溫，看它能夠忍受多高的溫度和維持多長的時(shí)間而失活性不變，耐熱溫度

37、越高，時(shí)間越長，則催化劑的度和維持多長的時(shí)間而失活性不變，耐熱溫度越高，時(shí)間越長，則催化劑的壽命越長。壽命越長?；べY源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 27 第二節(jié) 基本概念和常用術(shù)語 (2) 抗毒穩(wěn)定性：抗毒穩(wěn)定性： 由于有毒雜質(zhì)（常稱為毒物）對(duì)催化劑的毒化作用，使催化劑活性，由于有毒雜質(zhì)（常稱為毒物）對(duì)催化劑的毒化作用，使催化劑活性，選擇性活穩(wěn)定性降低的顯現(xiàn)成為催化劑中毒。催化劑對(duì)有毒害雜質(zhì)毒選擇性活穩(wěn)定性降低的顯現(xiàn)成為催化劑中毒。催化劑對(duì)有毒害雜質(zhì)毒化的抗抵制能力稱為催化劑的抗毒穩(wěn)定性。催化劑的毒物通常是一些化的抗抵制能力稱為催化劑的抗毒穩(wěn)定性。催化劑的毒物通常是一些含硫、磷、砷化合物、鹵素化合物、重金屬化合物等。含硫、磷、砷化合物、鹵素化合物、重金屬化合物等。 它們對(duì)催化劑的中毒主要是比較容易吸附再催化劑的活性中心上，它們對(duì)催化劑的中毒主要是比較容易吸附再催化劑的活性中心上，并且不容易脫附出來。一般中毒過程可分為暫時(shí)性可逆中毒和永久性并且不容易脫附出來。一般中毒過程可分為暫時(shí)性可逆中毒和永久性不可逆中毒，可逆中毒可以通過再生處理而恢復(fù)活性，不可逆中毒則不可逆中毒，可逆中毒可以通過再生處理