第一章 催化劑與催化作用

1、工業(yè)催化工業(yè)催化主要參考書工業(yè)催化主要參考書n工業(yè)催化工業(yè)催化n黃仲濤黃仲濤 主編主編 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社n催化作用基礎(chǔ)（第三版）催化作用基礎(chǔ)（第三版）n甑開吉等編甑開吉等編 著著 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 2005年年n固體催化劑研究方法（上、下冊）固體催化劑研究方法（上、下冊）n辛勤辛勤 主編主編 科學(xué)出版社科學(xué)出版社2004年年工業(yè)催化原理課程主要內(nèi)容工業(yè)催化原理課程主要內(nèi)容n第一章、催化作用與催化劑第一章、催化作用與催化劑(4學(xué)時學(xué)時)n第二章、吸附作用與多相催化第二章、吸附作用與多相催化 (4學(xué)時學(xué)時)n第三章、各類催化劑及其催化作用第三章、各類催化劑及其催化作用 (10學(xué)時學(xué)

2、時) 酸堿催化劑及其催化作用酸堿催化劑及其催化作用 非納米分子篩催化劑及其催化作用非納米分子篩催化劑及其催化作用 金屬催化劑及其催化作用金屬催化劑及其催化作用 金屬氧化物和硫化物催化劑及其催化作用金屬氧化物和硫化物催化劑及其催化作用 絡(luò)合催化劑及其催化作用絡(luò)合催化劑及其催化作用n第四章、工業(yè)催化劑的制備與使用第四章、工業(yè)催化劑的制備與使用 (4學(xué)時學(xué)時)n第五章、工業(yè)催化劑的評價與宏觀物性的測試第五章、工業(yè)催化劑的評價與宏觀物性的測試 (2學(xué)時學(xué)時)n第六章、催化劑表征的現(xiàn)代物理方法簡介第六章、催化劑表征的現(xiàn)代物理方法簡介 (4學(xué)時學(xué)時)第一章 催化劑與催化作用n-本章主要內(nèi)容n催化劑的基本概

3、念催化劑的基本概念n催化作用的基本特征催化作用的基本特征n催化劑的組成與功能催化劑的組成與功能n工業(yè)工業(yè)催化劑的基本要求催化劑的基本要求提高反應(yīng)速度的方法提高反應(yīng)速度的方法n工業(yè)上的一個化學(xué)反應(yīng)，要能以一定的速度進行，工業(yè)上的一個化學(xué)反應(yīng)，要能以一定的速度進行，即在單位時間內(nèi)能夠獲得足夠數(shù)量的產(chǎn)品。即在單位時間內(nèi)能夠獲得足夠數(shù)量的產(chǎn)品。n提高反應(yīng)速度的手段：提高反應(yīng)速度的手段：n加熱的方法加熱的方法n光化學(xué)方法光化學(xué)方法n電化學(xué)方法電化學(xué)方法n催化方法催化方法n既能提高反應(yīng)速度，又能控制反應(yīng)方向既能提高反應(yīng)速度，又能控制反應(yīng)方向什么是催化劑什么是催化劑?n催化劑催化劑是一種是一種物質(zhì)，它能夠加

4、速反應(yīng)的速率而不物質(zhì)，它能夠加速反應(yīng)的速率而不改變該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)改變該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能變化自由能變化。n催化劑將反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，在循環(huán)的最終步驟催化劑將反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，在循環(huán)的最終步驟催化劑再回到其原始狀態(tài)。更簡單地說，催化劑再回到其原始狀態(tài)。更簡單地說，催化劑催化劑是一種加速化學(xué)反應(yīng)，而在其過程中自身不被消是一種加速化學(xué)反應(yīng)，而在其過程中自身不被消耗掉的物質(zhì)耗掉的物質(zhì)。n許多種類物質(zhì)可用來作催化劑，包括金屬、金屬許多種類物質(zhì)可用來作催化劑，包括金屬、金屬化合物化合物(如金屬氧化物、硫化物等如金屬氧化物、硫化物等)、有機金屬絡(luò)、有機金屬絡(luò)合物、酶或細胞等。合物、酶或細胞等。活性中心

5、與轉(zhuǎn)換頻率活性中心與轉(zhuǎn)換頻率n催化劑并非所有的部分都參與反應(yīng)物到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)催化劑并非所有的部分都參與反應(yīng)物到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，因此那些參與的部分被稱為化，因此那些參與的部分被稱為活性中心活性中心。大多。大多數(shù)工業(yè)催化劑使用的形式是多孔小球，每一個小數(shù)工業(yè)催化劑使用的形式是多孔小球，每一個小球一般包含球一般包含1018個催化中心。個催化中心。n轉(zhuǎn)換頻率轉(zhuǎn)換頻率是指每個催化中心上單位時間內(nèi)產(chǎn)生的是指每個催化中心上單位時間內(nèi)產(chǎn)生的給定產(chǎn)物的分子數(shù)。給定產(chǎn)物的分子數(shù)。n催化劑在更換前每個催化活性中心上的催化循環(huán)催化劑在更換前每個催化活性中心上的催化循環(huán)周轉(zhuǎn)超過十億（周轉(zhuǎn)超過十億（109)次。次。催化劑是如何加

6、速反應(yīng)速率的？催化劑是如何加速反應(yīng)速率的？n對于對于N2+3H2=2NH3反應(yīng)反應(yīng)無無催化劑存在時，催化劑存在時，在在500 C、常壓條件下，反應(yīng)活化常壓條件下，反應(yīng)活化能高，能高，334 kJ/mol 。此條件下反應(yīng)速度極慢，競不能。此條件下反應(yīng)速度極慢，競不能覺察出氨的生成。覺察出氨的生成。催化劑存在下合成氨的催化劑存在下合成氨的反應(yīng)途徑與活化能反應(yīng)途徑與活化能n有催化劑存在下，在催化劑表面發(fā)生了如下所示的一系有催化劑存在下，在催化劑表面發(fā)生了如下所示的一系列表面作用過程，最后生成了氨分子。催化反應(yīng)的速率列表面作用過程，最后生成了氨分子。催化反應(yīng)的速率控制步驟是氮解離步驟，該步的控制步驟是

7、氮解離步驟，該步的活化能活化能70 kJ/mol 。n催化劑為反應(yīng)物分子提供了一條較易進行的反應(yīng)途徑。催化劑為反應(yīng)物分子提供了一條較易進行的反應(yīng)途徑。不同的催化劑的催化反應(yīng)不同的催化劑的催化反應(yīng)活化能可能不同?；罨芸赡懿煌?。N2+3H2=2NH3的催化反應(yīng)途徑催化作用的四個基本特征催化作用的四個基本特征催化作用的特征（催化作用的特征（1）n催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進行的反應(yīng)，而不催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進行的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上無法進行的反應(yīng)。能加速熱力學(xué)上無法進行的反應(yīng)。n在開發(fā)一種新的化學(xué)反應(yīng)的催化劑時，首先要對該在開發(fā)一種新的化學(xué)反應(yīng)的催化劑時，首先要對該反應(yīng)體系進行熱力學(xué)分析

8、，看在給定的條件下是否反應(yīng)體系進行熱力學(xué)分析，看在給定的條件下是否屬于熱力學(xué)上可行的反應(yīng)。屬于熱力學(xué)上可行的反應(yīng)。催化作用的特征（催化作用的特征（2）n催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改變平衡的催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改變平衡的位置（平衡常數(shù)）。位置（平衡常數(shù)）。n化學(xué)平衡是由熱力學(xué)決定的化學(xué)平衡是由熱力學(xué)決定的 G0-RT1nKP ， 其中其中KP為反應(yīng)的平衡常數(shù)，為反應(yīng)的平衡常數(shù)， G0是產(chǎn)物與反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)物與反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)自由焓之差，是狀態(tài)函數(shù)，只決定于過程的始終態(tài)，自由焓之差，是狀態(tài)函數(shù)，只決定于過程的始終態(tài)，而與過程無關(guān)，催化劑的存在不影響而與過程無關(guān)，催化劑的存在不影響

9、G0值，它只能值，它只能加速達到平衡所需的時間，而不能移動平衡點加速達到平衡所需的時間，而不能移動平衡點。不能改變平衡的位置不能改變平衡的位置的例子的例子乙苯脫氫制苯乙烯乙苯脫氫制苯乙烯催化劑不能改變平衡位置催化劑不能改變平衡位置-實例實例 乙苯脫氫制苯乙烯，在乙苯脫氫制苯乙烯，在600常壓、乙苯與水蒸汽摩常壓、乙苯與水蒸汽摩爾比為爾比為1:9時，按平衡常數(shù)計算，達到平衡后苯乙烯的最時，按平衡常數(shù)計算，達到平衡后苯乙烯的最大產(chǎn)率為大產(chǎn)率為72.3，這是平衡產(chǎn)率，是熱力學(xué)所預(yù)示的反應(yīng)，這是平衡產(chǎn)率，是熱力學(xué)所預(yù)示的反應(yīng)限度。為了盡可能實現(xiàn)此產(chǎn)率，可選擇良好催化劑以使限度。為了盡可能實現(xiàn)此產(chǎn)率，可

10、選擇良好催化劑以使反應(yīng)加速。但在反應(yīng)條件下，要想用催化劑使苯乙烯產(chǎn)反應(yīng)加速。但在反應(yīng)條件下，要想用催化劑使苯乙烯產(chǎn)率超過率超過72.8是不可能的。是不可能的。不能改變平衡的位置不能改變平衡的位置的另一例子的另一例子烷烴異構(gòu)化烷烴異構(gòu)化不同異構(gòu)不同異構(gòu)體的辛烷值不相同體的辛烷值不相同62 RON93 RON31 RON74 RON104 RON75 RON94 RON辛烷值的定義辛烷值的定義 辛烷值辛烷值：汽油在汽油機中燃燒時的抗震性指標(biāo)汽油在汽油機中燃燒時的抗震性指標(biāo) 。 汽油辛烷值大，抗震性好，質(zhì)量也好。汽油辛烷值大，抗震性好，質(zhì)量也好。 常以標(biāo)準(zhǔn)異辛烷值規(guī)定為常以標(biāo)準(zhǔn)異辛烷值規(guī)定為100，

11、正庚烷的辛烷值規(guī)定為，正庚烷的辛烷值規(guī)定為0，這兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料以不同的體積比混合起來，可得到，這兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料以不同的體積比混合起來，可得到各種不同的抗震性等級的混合液，在發(fā)動機工作相同各種不同的抗震性等級的混合液，在發(fā)動機工作相同條件下，與待測燃料進行對比?？拐鹦耘c樣品相等的條件下，與待測燃料進行對比?？拐鹦耘c樣品相等的混合液中所含異辛烷百分?jǐn)?shù)，即為該樣品的辛烷值?；旌弦褐兴愋镣榘俜?jǐn)?shù)，即為該樣品的辛烷值。催化劑也同時加速逆反應(yīng)速率催化劑也同時加速逆反應(yīng)速率n根據(jù)根據(jù)Kp=K正正/K逆逆，既然不能改變平衡常數(shù)，它必然，既然不能改變平衡常數(shù)，它必然以相同的比例加速正、逆反應(yīng)的速率常數(shù)。這個推以

12、相同的比例加速正、逆反應(yīng)的速率常數(shù)。這個推論具有重要意義。論具有重要意義。n對于可逆反應(yīng)，能催化正方向反應(yīng)的催化劑，就應(yīng)對于可逆反應(yīng)，能催化正方向反應(yīng)的催化劑，就應(yīng)該能催化逆方向的反應(yīng)該能催化逆方向的反應(yīng)。例如，脫氫反應(yīng)的催化劑。例如，脫氫反應(yīng)的催化劑同時也是加氫反應(yīng)的催化劑，水合反應(yīng)的催化劑同同時也是加氫反應(yīng)的催化劑，水合反應(yīng)的催化劑同時也是脫水反應(yīng)的催化劑。時也是脫水反應(yīng)的催化劑。這條規(guī)則對選擇催化劑這條規(guī)則對選擇催化劑很有用很有用。催化作用的特征（催化作用的特征（3）-催化劑對反應(yīng)具有選擇性催化劑對反應(yīng)具有選擇性n催化劑對反應(yīng)具有選擇性催化劑對反應(yīng)具有選擇性n根據(jù)熱力學(xué)計算，某一反應(yīng)可能

13、生成不只一種產(chǎn)物根據(jù)熱力學(xué)計算，某一反應(yīng)可能生成不只一種產(chǎn)物時，應(yīng)用催化劑可加速某一目的產(chǎn)物的反應(yīng)，即稱時，應(yīng)用催化劑可加速某一目的產(chǎn)物的反應(yīng)，即稱為催化劑對該反應(yīng)的選擇性。為催化劑對該反應(yīng)的選擇性。n工業(yè)上利用催化劑具有選擇性，使原料轉(zhuǎn)化為所需工業(yè)上利用催化劑具有選擇性，使原料轉(zhuǎn)化為所需要的產(chǎn)品。要的產(chǎn)品。n例如，以合成氣例如，以合成氣(COH2)為原料，使用不同的催化為原料，使用不同的催化劑則沿不同的途徑進行反應(yīng)。劑則沿不同的途徑進行反應(yīng)。催化劑對反應(yīng)具有選擇性催化劑對反應(yīng)具有選擇性-實例實例催化作用的特征（催化作用的特征（4）-催化劑的壽命催化劑的壽命n催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，其自身

14、不進入反應(yīng)的催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，其自身不進入反應(yīng)的產(chǎn)物，在理想的情況下不為反應(yīng)所改變。產(chǎn)物，在理想的情況下不為反應(yīng)所改變。n催化劑在參與反應(yīng)過程中，先與反應(yīng)物生成某種不穩(wěn)催化劑在參與反應(yīng)過程中，先與反應(yīng)物生成某種不穩(wěn)定的活性中間絡(luò)合物，再繼續(xù)反應(yīng)生成產(chǎn)物，催化劑定的活性中間絡(luò)合物，再繼續(xù)反應(yīng)生成產(chǎn)物，催化劑恢復(fù)到原來的狀態(tài)。催化劑象這樣不斷循環(huán)起作用?；謴?fù)到原來的狀態(tài)。催化劑象這樣不斷循環(huán)起作用。一定量的催化劑可以使大量的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為大量的產(chǎn)一定量的催化劑可以使大量的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為大量的產(chǎn)物。物。n實際反應(yīng)過程中，催化劑并不能無限期地使用，在長實際反應(yīng)過程中，催化劑并不能無限期地使用，在

15、長期的反應(yīng)條件下和化學(xué)作用下，會發(fā)生不可逆物理和期的反應(yīng)條件下和化學(xué)作用下，會發(fā)生不可逆物理和化學(xué)變化，如晶相變化、晶粒分散度的變化、組分的化學(xué)變化，如晶相變化、晶粒分散度的變化、組分的流失等，導(dǎo)致催化劑的失活。流失等，導(dǎo)致催化劑的失活。催化劑幾個重要的性能指標(biāo)催化劑幾個重要的性能指標(biāo)n根據(jù)催化作用、催化劑定義和特性分析知道催化劑有根據(jù)催化作用、催化劑定義和特性分析知道催化劑有三個重要指標(biāo)：三個重要指標(biāo)：活性、選擇性活性、選擇性和和穩(wěn)定性穩(wěn)定性。n工業(yè)生產(chǎn)更多強調(diào)的是原料和能源的充分利用。工業(yè)生產(chǎn)更多強調(diào)的是原料和能源的充分利用。n改進型的研究改進型的研究，一般是追求選擇性，其次是穩(wěn)定性，一般

16、是追求選擇性，其次是穩(wěn)定性，最后才是活性。最后才是活性。n新催化劑新催化劑及工藝的研究，則先追求高活性、高選擇性，及工藝的研究，則先追求高活性、高選擇性，最后才是穩(wěn)定性。最后才是穩(wěn)定性。催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的概念催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的概念n活性活性是指催化劑影響反應(yīng)進程變化的程度。是指催化劑影響反應(yīng)進程變化的程度。n選擇性選擇性是指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物是指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的分率。的分率。n穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指催化劑的活性和選擇性隨時間變是指催化劑的活性和選擇性隨時間變化的情況?；那闆r?；钚缘膸追N表示方法活性的幾種表示方法n轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率n時空產(chǎn)率時空產(chǎn)率n轉(zhuǎn)換頻率轉(zhuǎn)

17、換頻率n反應(yīng)速率反應(yīng)速率 n比活性比活性轉(zhuǎn)化率表示法轉(zhuǎn)化率表示法- -工業(yè)上最為常用的活性表示方法工業(yè)上最為常用的活性表示方法n對于對于AB反應(yīng)，給定溫度下所達到的轉(zhuǎn)化率可用下式表示：反應(yīng)，給定溫度下所達到的轉(zhuǎn)化率可用下式表示：XA=（反應(yīng)后已轉(zhuǎn)化的反應(yīng)后已轉(zhuǎn)化的A摩爾數(shù)摩爾數(shù)NA /進料中進料中A的摩爾數(shù)的摩爾數(shù)N0A）100%n注意：注意：在用轉(zhuǎn)化率比較活性時，要求反應(yīng)在用轉(zhuǎn)化率比較活性時，要求反應(yīng)溫度溫度、壓力壓力、原料氣濃原料氣濃度度和和停留時間停留時間都必須相同。都必須相同。還必須給出時間條件還必須給出時間條件以轉(zhuǎn)化率以轉(zhuǎn)化率表示催化劑活性的例子表示催化劑活性的例子規(guī)定轉(zhuǎn)化率規(guī)定轉(zhuǎn)化

18、率所需的溫度和空速表示法所需的溫度和空速表示法 n用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如XA=80%）所需要的溫度所需要的溫度來表示，溫度越低活性越高。來表示，溫度越低活性越高。n壓力壓力、原料氣濃度原料氣濃度和和停留時間停留時間等條件都必須相同等條件都必須相同n用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如XA=80%）所需要的空速所需要的空速表示，空速越高活性越好。表示，空速越高活性越好。n反應(yīng)反應(yīng)溫度溫度、壓力壓力、原料氣濃度原料氣濃度都必須相同。都必須相同。單程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率n有些反應(yīng)因受熱力學(xué)平衡限制，平衡轉(zhuǎn)化率不高，有些反應(yīng)因受熱力學(xué)平衡限制，平衡轉(zhuǎn)化率不高，為了充分利用原料

19、，需將反應(yīng)產(chǎn)物分離，然后補為了充分利用原料，需將反應(yīng)產(chǎn)物分離，然后補充新鮮原料再循環(huán)使用。充新鮮原料再循環(huán)使用。n對一次通過催化劑的轉(zhuǎn)化率稱為單程轉(zhuǎn)化率對一次通過催化劑的轉(zhuǎn)化率稱為單程轉(zhuǎn)化率。時空產(chǎn)率時空產(chǎn)率表示法表示法- -工業(yè)上最為常用的活性表示方法工業(yè)上最為常用的活性表示方法n指在一定條件（溫度、壓力、進料組成、空速）指在一定條件（溫度、壓力、進料組成、空速）下，單位時間內(nèi)，使用單位體積下，單位時間內(nèi)，使用單位體積V或單位質(zhì)量的催或單位質(zhì)量的催化劑所能得到目的產(chǎn)物的量（摩爾數(shù)化劑所能得到目的產(chǎn)物的量（摩爾數(shù)NB、或質(zhì)量）或質(zhì)量）來表示，如下式：來表示，如下式：Y= NB/(V t)時空收

20、率計算例子時空收率計算例子n苯加氫生產(chǎn)環(huán)己烷，年產(chǎn)苯加氫生產(chǎn)環(huán)己烷，年產(chǎn)15000噸環(huán)己烷的反應(yīng)器，內(nèi)噸環(huán)己烷的反應(yīng)器，內(nèi)裝有裝有Pt/Al2O3催化劑催化劑2M3，若催化劑的堆積密度為若催化劑的堆積密度為0.66g/cm3，一年按一年按300天生產(chǎn)計算，計算其時空產(chǎn)率。天生產(chǎn)計算，計算其時空產(chǎn)率。nYts=15000*1000/（2*300*24）n單位：單位：kg/(M3催化劑催化劑 h)轉(zhuǎn)換頻率轉(zhuǎn)換頻率表示法表示法n定義：定義：單位時間內(nèi)每個活性中心單位時間內(nèi)每個活性中心轉(zhuǎn)化的分子數(shù)。轉(zhuǎn)化的分子數(shù)。n這個表示方法很科學(xué)，但測定起來卻不容易。這個表示方法很科學(xué)，但測定起來卻不容易。n活性中

21、心（部位活性中心（部位)-固體催化劑，其表面化學(xué)性質(zhì)和固體催化劑，其表面化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)不同。物理性質(zhì)不同。n活性中心的測定：活性中心的測定：n金屬催化劑金屬催化劑-利用選擇性化學(xué)吸附利用選擇性化學(xué)吸附n酸性催化劑酸性催化劑-用吸附堿性分子用吸附堿性分子催化反應(yīng)速率催化反應(yīng)速率表示法表示法n反應(yīng)速率表示反應(yīng)快慢，一般有三種表示方法。反應(yīng)速率表示反應(yīng)快慢，一般有三種表示方法。n以催化劑重量為基淮以催化劑重量為基淮n以催化劑體積為基準(zhǔn)以催化劑體積為基準(zhǔn)n以催化劑表面積為基準(zhǔn)以催化劑表面積為基準(zhǔn)n在催化反應(yīng)動力學(xué)的研究中，活性多用反應(yīng)速率在催化反應(yīng)動力學(xué)的研究中，活性多用反應(yīng)速率來表達。來表達。反

22、應(yīng)速率表示方法反應(yīng)速率表示方法nAB反應(yīng)，以反應(yīng)，以V、S和和W分別代表催化劑的體積、表面分別代表催化劑的體積、表面積和重量，則以不同形式表示的反應(yīng)速率積和重量，則以不同形式表示的反應(yīng)速率r分別是：分別是： nrv=（1V）(dNAdt)=(1V)(dNBdt)molcm-3h-1nrs= (1/s)(dNA/dt) =(1/s)(dNB/dt) molcm-2h-1 rw= (1/w)(dNA/dt) =(1/w)(dNB/dt) molg-1h-1以催化劑表面積為基準(zhǔn)反應(yīng)速率表示例以催化劑表面積為基準(zhǔn)反應(yīng)速率表示例以催化劑重量為基準(zhǔn)反應(yīng)速率表示例以催化劑重量為基準(zhǔn)反應(yīng)速率表示例比活性比活性

23、n對于固體催化劑，與催化劑單位表面積相對應(yīng)的對于固體催化劑，與催化劑單位表面積相對應(yīng)的活性稱為比活性（活性稱為比活性（）n=k/Snk-催化反應(yīng)速度常數(shù)；催化反應(yīng)速度常數(shù)；nS-活性比表面積?；钚员缺砻娣e。n催化劑的比活性只取決于催化劑的化學(xué)組成與結(jié)催化劑的比活性只取決于催化劑的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)，而與其表面大小無關(guān)。構(gòu)，而與其表面大小無關(guān)。n催化研究中常采用比活性來評選催化劑。催化研究中常采用比活性來評選催化劑。 選擇性選擇性工廠常用產(chǎn)率來表示催化劑的優(yōu)劣：穩(wěn)定性和壽命穩(wěn)定性和壽命n穩(wěn)定性和壽命對于工業(yè)催化劑來說是致關(guān)重要的。穩(wěn)定性和壽命對于工業(yè)催化劑來說是致關(guān)重要的。n穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指催化劑的

24、活性和選擇性隨時間變化是指催化劑的活性和選擇性隨時間變化的情況。的情況。n壽命壽命是指在指定的使用條件下，催化劑的活性能是指在指定的使用條件下，催化劑的活性能夠達到裝置生產(chǎn)能力和原料消耗定額的允許使用夠達到裝置生產(chǎn)能力和原料消耗定額的允許使用時間，可以是指活性下降后再生活性又恢復(fù)的累時間，可以是指活性下降后再生活性又恢復(fù)的累計使用時間。計使用時間。工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性n工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性包括如下幾方面：工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性包括如下幾方面：n1)化學(xué)穩(wěn)定性：保持穩(wěn)定的化學(xué)組成和化合狀態(tài)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：保持穩(wěn)定的化學(xué)組成和化合狀態(tài)。n2)熱穩(wěn)定性：能在反應(yīng)條件下，不因受熱而破壞其熱穩(wěn)定

25、性：能在反應(yīng)條件下，不因受熱而破壞其物理化學(xué)狀態(tài)，能在一定溫度范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)物理化學(xué)狀態(tài)，能在一定溫度范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性。定性。n3)機械穩(wěn)定性：固體催化劑顆粒抵抗摩擦、沖擊、機械穩(wěn)定性：固體催化劑顆粒抵抗摩擦、沖擊、重壓、溫度等引起的種種應(yīng)力的程度重壓、溫度等引起的種種應(yīng)力的程度。催化劑活性隨時間變化曲線催化劑活性隨時間變化曲線工業(yè)催化劑的壽命工業(yè)催化劑的壽命工業(yè)催化劑的要求工業(yè)催化劑的要求n1. 活性活性n2. 選擇性選擇性n3.穩(wěn)定性與使用壽命穩(wěn)定性與使用壽命n4.外形外形n5.抗壓碎強度抗壓碎強度n6.導(dǎo)熱性與比熱導(dǎo)熱性與比熱n7.再生性能再生性能n8.可重復(fù)性可重復(fù)性催化劑的

26、組成與功能催化劑的組成與功能固體催化劑固體催化劑主催化劑主催化劑main catalyst共催化劑共催化劑助催化劑助催化劑載體載體support carrier結(jié)構(gòu)型助催化劑結(jié)構(gòu)型助催化劑調(diào)變型助催化劑調(diào)變型助催化劑擴散型助催化劑擴散型助催化劑毒化型助催化劑毒化型助催化劑又稱活性組分又稱活性組分催化劑的主要成分催化劑的主要成分同時起催化作用，缺一不可同時起催化作用，缺一不可主催化劑主催化劑n是催化劑的主要成分是催化劑的主要成分-活性組分，是起催化作用的根本活性組分，是起催化作用的根本性物質(zhì)。性物質(zhì)。n例如，合成氨催化劑例如，合成氨催化劑Fe-K2O-Al2O3/C 中，無論有無中，無論有無K2

27、O、Al2O3 ， Fe總是有催化作用的，只是活性較低，總是有催化作用的，只是活性較低，壽命較短。如果沒有壽命較短。如果沒有Fe，催化劑就一點也活性沒有，催化劑就一點也活性沒有，F(xiàn)e是合成氨催化劑的活性組分。是合成氨催化劑的活性組分。n有的主催化劑由有的主催化劑由2種或種或2種以上的活性組分共同組成。種以上的活性組分共同組成。如如MoO3-Al2O3, WO3-ZrO2等。等。助催化劑助催化劑n助催化劑助催化劑是加到催化劑中的少量物質(zhì)（是加到催化劑中的少量物質(zhì)（510%) ，是催化劑的輔助成分，本身沒有催化活性或活性是催化劑的輔助成分，本身沒有催化活性或活性很小。很小。n可以改變催化劑的化學(xué)組

28、成、結(jié)構(gòu)、價態(tài)、酸堿可以改變催化劑的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、價態(tài)、酸堿性、分散度等性、分散度等n具有提高主催化劑的活性、選擇性，穩(wěn)定性和壽具有提高主催化劑的活性、選擇性，穩(wěn)定性和壽命。命。n助催化劑的種類：助催化劑的種類：結(jié)構(gòu)性助催化劑結(jié)構(gòu)性助催化劑和和電子型助催電子型助催化劑化劑助催化劑改變催化劑的結(jié)構(gòu)和分散度的例子助催化劑改變催化劑的結(jié)構(gòu)和分散度的例子助催化劑改變催化劑活性的例子助催化劑改變催化劑活性的例子結(jié)構(gòu)性助催化劑結(jié)構(gòu)性助催化劑n結(jié)構(gòu)性助催化劑結(jié)構(gòu)性助催化劑的作用主要是提高活性組分的分散性的作用主要是提高活性組分的分散性和熱穩(wěn)定性。通過加入這種助催化劑，使活性組分的和熱穩(wěn)定性。通過加入這種助

29、催化劑，使活性組分的細小晶粒間隔開來，不易燒結(jié)；也可以與活性組分形細小晶粒間隔開來，不易燒結(jié)；也可以與活性組分形成固熔體而達到熱穩(wěn)定，提高活性。成固熔體而達到熱穩(wěn)定，提高活性。n能起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用的助催化劑，多為熔點較高、難還能起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用的助催化劑，多為熔點較高、難還原的金屬氧化物。原的金屬氧化物。n如氨合成用的如氨合成用的Fe催化劑，通過加入少量的催化劑，通過加入少量的Al2O3。使其。使其活性、和壽命大大延長。原因是活性、和壽命大大延長。原因是Al2O3與活性與活性Fe形成了形成了固熔體，有效阻止了固熔體，有效阻止了Fe的燒結(jié)。的燒結(jié)。電子型助催化劑電子型助催化劑n電子型助催化劑：電子型

30、助催化劑：作用是調(diào)整催化劑主要活性組分的作用是調(diào)整催化劑主要活性組分的電子結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)或晶形結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的電子結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)或晶形結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的活性和選擇性。研究表明，金屬的催化活性與其表面活性和選擇性。研究表明，金屬的催化活性與其表面電子的授受能力有關(guān)。具有空成鍵軌道的金屬，對電電子的授受能力有關(guān)。具有空成鍵軌道的金屬，對電子有強的吸引力，而吸附能力的強弱和催化活性緊密子有強的吸引力，而吸附能力的強弱和催化活性緊密相連的。相連的。n如氨合成用的鐵催化劑中，如氨合成用的鐵催化劑中，F(xiàn)e有空的有空的d軌道，可以接受軌道，可以接受電子，在電子，在Fe-Al2O3中加入中加入K2O

31、后，后， K2O把電子傳給把電子傳給Fe，使使Fe原子的電子密度增加，提高其活性，所以原子的電子密度增加，提高其活性，所以K2O 是是電子型的助催化劑。電子型的助催化劑。n電子型助催化劑能使催化反應(yīng)活化能降低。電子型助催化劑能使催化反應(yīng)活化能降低。電子助催化劑電子助催化劑n其作用是改變主催化劑的電子狀態(tài)，提高催化性能。其作用是改變主催化劑的電子狀態(tài)，提高催化性能。n如如氨合成中用的釕氨合成中用的釕- -活性炭活性炭- -堿金屬催化劑中的堿金屬堿金屬催化劑中的堿金屬便是一種電子助催化劑。實驗證明，釕負載活性炭，便是一種電子助催化劑。實驗證明，釕負載活性炭，對氨合成的活性很低，添加能給電子的堿金屬

32、后活性對氨合成的活性很低，添加能給電子的堿金屬后活性劇烈增加，而且給電子能力越強，活性越高。劇烈增加，而且給電子能力越強，活性越高。載體載體n載體是催化劑載體是催化劑活性組分的分散劑、支撐體，是負載活活性組分的分散劑、支撐體，是負載活性組分的骨架。將活性組分、助性組分的骨架。將活性組分、助催化劑催化劑負載于負載于載體上載體上所制得的催化劑，稱為所制得的催化劑，稱為負載型負載型催化劑。催化劑。n載體有天然的和人工合成的，可劃分為低比表面和高載體有天然的和人工合成的，可劃分為低比表面和高比表面兩大類。比表面兩大類。n載體關(guān)系到催化劑的活性、選擇性、熱穩(wěn)定性、機械載體關(guān)系到催化劑的活性、選擇性、熱穩(wěn)

33、定性、機械強度，也關(guān)系到催化過程的傳質(zhì)特性。強度，也關(guān)系到催化過程的傳質(zhì)特性。載體的功能載體的功能n1、提供有效的表面和合適的孔結(jié)構(gòu)；、提供有效的表面和合適的孔結(jié)構(gòu)； n2、增強催化劑的機械強度；、增強催化劑的機械強度；n3、改善催化劑的熱穩(wěn)定性；、改善催化劑的熱穩(wěn)定性； n4、減少活性組分的含量；、減少活性組分的含量；n5、提供附加的活性中心、提供附加的活性中心；n6、與活性組分之間的、與活性組分之間的溢流現(xiàn)象和強相互作用溢流現(xiàn)象和強相互作用。載體維持載體維持活性組分的高度分散活性組分的高度分散nPt 110 nm之間分散度迅速降低；之間分散度迅速降低；n無載體的無載體的 0.55 nm P

34、t粒子粒子 在在400500oC溫度下，會迅速燒結(jié)，溫度下，會迅速燒結(jié)， 400oC下，下，1小時小時 50 nm ，6個月變成個月變成200 nm 。n若在載體上，燒結(jié)和聚集就大大降低。若在載體上，燒結(jié)和聚集就大大降低。載體載體提供附加的活性中心提供附加的活性中心-例子例子n像像-Al2O3這類載體表面存在酸性活性中心，這類載體表面存在酸性活性中心，Pt/ -Al2O3 催化劑，載體的這種附加的酸性活性中心，催化劑，載體的這種附加的酸性活性中心，可以使正構(gòu)烷烴的異構(gòu)化反應(yīng)朝有利的方向進行?？梢允拐龢?gòu)烷烴的異構(gòu)化反應(yīng)朝有利的方向進行。理想的催化劑載體理想的催化劑載體應(yīng)具備下列條件應(yīng)具備下列條件

35、 (I)n1、具有能適合反應(yīng)過程的形狀和大??；、具有能適合反應(yīng)過程的形狀和大??；n2、有足夠的機械強度，能經(jīng)受反應(yīng)過程中機械或熱的、有足夠的機械強度，能經(jīng)受反應(yīng)過程中機械或熱的沖擊；有足夠的抗拉強度，以抵抗催化劑使用過程中沖擊；有足夠的抗拉強度，以抵抗催化劑使用過程中逐漸沉積在細孔里的副反應(yīng)產(chǎn)物如積碳或污物而逐漸沉積在細孔里的副反應(yīng)產(chǎn)物如積碳或污物而引起的破裂作用；引起的破裂作用；n3、有足夠的比表面，合適的孔結(jié)構(gòu)和吸水率，以便在、有足夠的比表面，合適的孔結(jié)構(gòu)和吸水率，以便在其表面能均勻地負載活性組分和助催化劑，滿足催化其表面能均勻地負載活性組分和助催化劑，滿足催化反應(yīng)的需要；反應(yīng)的需要；n4、有足夠的穩(wěn)定性以抵抗活性組分、反應(yīng)物及產(chǎn)物的、有足夠的穩(wěn)定性以抵抗活性組分、反應(yīng)物及產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕，并能經(jīng)受催化劑的再生處理；化學(xué)侵蝕，并能經(jīng)受催化劑的再生處理；理想的催化劑載體理想的催化劑載體應(yīng)具備下列條件應(yīng)具備下列條件 (II)n5、能耐熱，并具有合適的導(dǎo)熱系數(shù)；、能耐熱，并具有合適的導(dǎo)熱系數(shù)；n6、不含可使催化劑中毒或副反應(yīng)增加的物質(zhì)、不含可使催化劑中毒或副反應(yīng)增加的物質(zhì)n7、原料易得，制備方便，在制備載體以及制備成催化劑、原料易得