催化剂概念.docx

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催化剂概念

催化剂：

又称触媒，一类能改变化学反应速度而在反应中自身并不消耗的物质。

根据IUPAC于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。

这种作用称为催化作用。

正催化剂：

是一种它能够加速反应的速率而自身不改变物质。

它能够诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或者在较低的温度环境下进行化学反应。

在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。

催化剂中毒：

催化剂中毒指催化剂由于某些物质的作用而使催化活性衰退或丧失的现象。

催化剂载体：

催化剂载体又称担体（support）,是负载型催化剂的组成之一。

催化活性组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。

催化剂热点：

催化剂床层温度最高的那个点一般叫做催化剂的热点，也是反应最剧烈的区域。

一般随着催化剂的使用时间增长，热点温度总是要下移。

助催化剂：

在催化剂中加入的另一些物质，本身不具活性或活性很小的物质，但能改变催化剂的部分性质，如化学组成、离子价态、酸碱性、表面结构、晶粒大小等，从而使催化剂的活性、选择性、抗毒性或稳定性得以改善。

这样的物质叫助催化剂。

催化剂再生：

使催化作用效率已经衰退的催化剂重新恢复其效率的过程。

再生过程不涉及催化剂整体结构的解体，仅仅是用适当的方法消除那些导致催化效能衰退的因素。

例如除去存留于催化剂上的毒质、覆盖于催化剂表面上的尘灰和由于副反应而生成于催化剂外表或孔隙内部的沉积物等，力图恢复催化剂的固有组成和构造。

催化剂寿命：

指催化剂的有效使用期限，是催化剂的重要性质之一。

催化剂在使用过程中，效率会逐渐下降，影响催化过程的进行

孔隙率：

催化剂的孔隙容积与颗粒体积之比称为孔隙率

比孔容：

单位质量催化剂具有的孔隙容积称为比孔容

机械强度：

催化剂颗粒抵抗摩擦、撞击、重力、温度和相变应力等作用的能力，统称为机械稳定性或机械强度

真密度：

指颗粒中固体物质的密度（g/ml）。

颗粒密度：

是指包括颗粒孔隙容积在内所求出的密度（g/ml）。

堆密度：

是单位容积反应器中填装的催化剂质量，它受催化剂的形状和尺寸的影响通常以kg/l表示，它直接影响反应器的利用率。

堆集密度：

堆集密度ρ1是单位堆集体积的多孔性物质所具有的质量,即ρ1=m/（v1+v2+v3）

活性：

催化剂提高化学反应速率的性能的一种定量的表征。

在工业应用上常使用单程转化率来描述活性，即原料通过催化床一次，催化剂使原料转变的百分率。

在理论研究中，常采用无物理因素影响的动力学参数（反应速率、反应速率常数、活化能等）来表征催化剂的活性。

起始活性温度：

具有工业生产意义的催化剂活性的最低温度。

钝化：

在反应设备中具有活性的催化剂需要卸出时，通入含微量氧的惰性气体或其它气体（如水蒸气），使其生成氧化膜，卸出时能安全和空气接触而不导致剧烈燃烧，这种操作称催化剂的钝化。

氧化：

具有活性并高温使用的催化剂在遇到氧等其它有害气体时所进行的强烈放热反应，该类反应放出的热量能够烧结催化剂或烧坏设备的现象称催化剂的氧化。

衰老：

催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组织和构造，催化剂会降低或丧失活性，这种现象称为催化剂衰退（衰老）或催化剂失活。

比表面积：

指每克催化剂的表面积（m2）。

催化剂比表面的大小，尤其是活性组分的比表面积值常直接影响催化活性。

适宜温度：

催化剂在使用中活性表现最优时所对应的温度，工业生产上一般表征为一个温度范围。

选择性：

用消耗的原料中转变为目的产物的百分率表示。

耐热性：

在高温条件下,催化剂受热而衰退,通常用不致引起催化剂不可逆的衰退所能承受的最高温度表示其耐热性。

比表面：

1克催化剂所暴露的总表面积称为总比表面（简称比表面）。

1克催化剂中活性组分暴露的表面积称为活性组分比表面。

催化剂的总表面积是活性组分、助催化剂、载体以及杂质各表面积的总和。

催化剂的作用机理可分三类：

①离子型反应机理。

可从广义的酸、碱概念来理解催化剂的作用，所用的催化剂多数为酸、碱、盐类，如氧化铝，硅酸铝等。

多数为非过渡元素的化合物，具有催化裂化、异构化、烷基化、水合、脱水等反应的功能。

②自由基型反应机理。

催化剂与反应物间因氧化-还原作用而使后者活化,在反应过程中涉及催化剂元素的价态变化，所用催化剂的材质多数为金属、金属氧化物、金属硫化物，如镍、铂、氧化钒、氧化铬、硫化钼等。

它们多数是过渡元素及其化合物，具有催化加氢、脱氢、氧化等反应的功能。

③络合反应机理。

催化剂与反应物发生配位作用而使后者活化，所用的催化剂称络合催化剂。

助催化剂按功用常分：

①结构型助催化剂，用于增进活性组分的比表面积或提高活性构造的稳定性，如氨合成用的铁-氧化钾-氧化铝催化剂中的氧化铝。

②调变型助催化剂，可对活性组分的本性起修饰作用，因而改变其比活性（见催化活性），如前述铁－氧化钾－氧化铝催化剂中的氧化钾。

③毒化型助催化剂，能使某些引起副反应的活性中心中毒（见催化剂中毒），从而提高目的反应的选择性，如在某些用于烃类转化反应的催化剂中，加入少量碱性物质以毒化催化剂中引起炭沉积副反应的中心。

　催化剂中毒根据作用的性质和强弱，可分为可逆性中毒和不可逆中毒（永久性中毒）。

可逆性中毒可用简单的方法使催化剂性能恢复。

催化剂毒物具有特异性，对一种催化剂是毒物，对另一种可能无害。

利用选择性中毒，使催化剂中引起副反应的活性中心中毒，可提高催化剂的选择性。

中毒的机理大致有两类：

一类是毒质吸附在催化剂的活性中心上，由于覆盖而减少了活性中心的数目；另一类是毒质与构成活性中心的物质发生化学作用转变为无活性的物质。

按毒质与催化剂作用的程度，可分为暂时中毒和永久中毒。

前一类毒质与催化剂的结合较松弛，易于清除。

例如：

用镍为催化剂使烯烃加氢时，若原料气含炔烃，它吸附于活性中心上，则出现中毒，但如提高原料气纯度，降低炔含量，则吸附的炔将脱附，催化活性恢复，即为暂时中毒（又称可逆中毒）；若原料气含硫化物，则硫与镍强烈结合，即使原料气脱硫后，催化活性也不能恢复，则为永久中毒（又称不可逆中毒）。

催化剂中毒常是使催化剂寿命缩短的重要原因，在化学工业中选用抗毒能力强的催化剂非常重要。

中毒现象与反应条件有关，对于给定的催化反应系统，只在原料中毒质浓度达到特定值时，才发生中毒现象,称耐受量,故须将原料净化到毒质含量低于此值。

改变反应温度可改变抗毒能力。

毒质与催化剂、催化反应间具有选择关系，即不同的物质对不同的催化剂、不同的催化反应起毒化作用。

因此，在同一催化剂上发生两种催化反应，一种物质可能只毒化其中一种，利用这种选择性中毒现象，在原料或催化剂中有意加入某种毒质以毒化引起副反应的活性中心，从而提高目的反应的选择性。

例如在某些固体酸催化剂中加入少量碱性物质以毒化某些强酸中心,以抑制积碳副反应。

在某些场合,毒化和助催化作用于特定条件下可互转化，如在有些催化剂中存在某异物为毒质，但含量很低时却可起助催化剂的作用。

催化剂载体

催化剂载体又称担体（support）,是负载型催化剂的组成之一。

催化活性组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。

多数载体是催化剂工业中的产品，常用的有氧化铝载体、硅胶载体、活性炭载体及某些天然产物如浮石、硅藻土等。

常用“活性组分名称-载体名称”来表明负载型催化剂的组成,如加氢用的镍-氧化铝催化剂、氧化用的氧化钒-硅藻土催化剂。

催化剂载体的作用

载体能使制成的催化剂具有合适的形状、尺寸和机械强度，以符合工业反应器的操作要求；载体可使活性组分分散在载体表面上，获得较高的比表面积，提高单位质量活性组分的催化效率。

若用分子筛为载体，铂可达到接近于原子级的分散度。

载体还可阻止活性组分在使用过程中烧结，提高催化剂的耐热性。

对于某些强放热反应，载体使催化剂中的活性组分稀释，以满足热平衡要求;良好热导率的载体，如金属、碳化硅等,有助于移去反应热，避免催化剂表面局部过热。

载体又可将某些原来用于均相反应中的催化剂负载于固体载体上制成固体催化剂，如磷酸吸附在硅藻土中制成的固体酸催化剂，酶负载在载体上制成的固定化酶。

本身无催化活性的载体称惰性载体。

但有些载体也表现出催化活性，称活性载体，如烃类催化重整所用的铂-氧化铝催化剂,铂是具有加氢和脱氢的功能的活性组分，氧化铝是具有异构化功能的活性组分，两者组合成为双功能催化剂。

在某些负载型的金属催化剂中，载体还可影响金属的催化性质,称载体－金属间强相互作用。

催化剂载体的分类

载体种类繁多，可分为高比表面积载体和低比表面积载体。

前者的比表面积每克可达几十至几千平方米，如活性炭可高达2000m；而-AlOSiC可小于1m[kg1]对于比活性低的催化活性组分常选用高比表面积载体以提高活性组分的分散度。

当催化活性组分的比活性很高时，为了控制强放热反应系统中的热平衡,有时要选低比表面积载体,以约束催化剂的活性。

载体的孔隙构造可分为无孔隙型、多孔隙型，后者又有粗孔、细孔之分。

孔径细小的多孔载体，其孔隙内部有巨大的表面积，有利于制成高活性催化剂，但细孔不利于反应物与产物分子的扩散，将造成内扩散效应。

多数载体的孔隙构造甚为复杂，如硅藻土载体。

电子显微镜照片表明，粒子中主要是粗大的孔隙，但亦有一些较细小的孔隙，选用已成型的载体制造催化剂时，催化剂的形状由载体的形状决定，因此，为了满足反应工程特性的要求，应选用适合造型的载体。

常用的载体外形有粉末状、球状、微球状、条状、锭状、环状等，也有某些如三叶状、轮辐状、蜂窝状等异型载体。

催化剂

催化剂是一种它能够加速反应的速率而自身不改变物质。

它能够诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或者在较低的温度环境下进行化学反应。

在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。

催化剂又称触媒，其作用通常是加速反应，例如铁催化剂可使氮和氢转变为氨的反应大为加速，使合成氨工业成为可能。

若其作用是使反应减速,则称负催化剂,如少量醇、酚或蔗糖可抑制亚硫酸钠溶液被溶于水中的氧所氧化。

催化剂可以是气态物质（如氧化氮）、液态物质（如酸、碱、盐溶液）或固态物质（如金属、金属氧化物），还有些以胶体状态存在（如生物体内的酶）。

在催化剂工业中，主要产品是固体催化剂。

催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位，现在几乎有半数以上的化工产品，在生产过程里都采用催化剂。

例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫酸生产采用钒催化剂，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中，都采用不同的催化剂。

催化剂的性能　

一种催化剂可使特定的反应循阻力较小的途径进行，降低所需的活化能，从而使反应加速。

例如图中虚线表示反应物循非催化反应途径转变成产物，活化能为E。

当存在某种固体催化剂时,其反应途径如实线所示：

第一步，反应物与催化剂作用，变成吸附态的反应物，活化能为E1；第二步，吸附态的反应物转变成吸附态的产物，活化能为E2；第三步,吸附态的产物脱附,变成产物并释放出催化剂，活化能为E3。

虽然这两条途径的结果相同，但在催化反应途径中，各步骤的活化能均小于非催化反应途径的活化能，故阻力较小，反应加速。

在催化反应途径中，催化剂虽然参与反应，但经历特定的循环后重新被释放出来，此循环过程称催化循环。

负催化剂的作用通常是能毒化反应系统中原有的催化剂或截断反应链。

一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应，意即同一催化剂对于不同的反应具有不同的催化活性，称催化剂选择性。

利用催化剂对反应的选择性来控制原料的化学转变方向，在化学工业中有重要意义。

在可逆反应中，对于正、逆反应的速度，催化剂是以同样的倍率产生影响的。

所以催化剂虽然能加速化学反应，但它不能改变化学平衡常数，只能影响反应向平衡状态推进的速度。

例如铂、钯催化剂可使苯加氢转变为环己烷，但在有利于脱氢反应的热力学条件下，它们亦可使环己烷脱氢成苯。

催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用