催化劑及其作用機理

1基本概念金屬氧化物催化劑常為復合氧化物（Complexoxides）,即多組分氧化物。如VO5-MoO3,Bi2O3-MoO3,TiO2-V2O5-P2O5,V2O5-MoO3-Al2O3，MoO3-Bi2O3-Fe2O3-CoO-K2O-P2O5-SiO2（即7組分的代號為C14的第三代生產(chǎn)丙烯腈催化劑）。組分中至少有一種是過渡金屬氧化物。組分與組分之間可能相互作用，作用的情況常因條件而異。復合氧化物系常是多相共存，如Bi2O3-MoO3，就有a、P和y相。有所謂活性相概念。它們的結(jié)構(gòu)十分復雜，有固溶體，有雜多酸，有混晶等。就催化劑作用和功能來說，有的組分是主催化劑，有的為助催化劑或者載體。主催化劑單獨存在時就有活性，如MoO3-Bi2O3中的MoO3；助催化劑單獨存在時無活性或很少活性，但能使主催化劑活性增強，如Bi2O3就是。助催化劑可以調(diào)變生成新相，或調(diào)控電子遷移速率，或促進活性相的形成等。依其對催化劑性能改善的不同，有結(jié)構(gòu)助劑，抗燒結(jié)助劑，有增強機械強度和促進分散等不同的助催功能。調(diào)變的目的總是放在對活性、選擇性或穩(wěn)定性的促進上。金屬氧化物主要催化烴類的選擇性氧化。其特點是：反應系高放熱的，有效的傳熱、傳質(zhì)十分重要，要考慮催化劑的飛溫；有反應爆炸區(qū)存在，故在條件上有所謂“燃料過剩型”或“空氣過剩型”兩種；這類反應的產(chǎn)物，相對于原料或中間物要穩(wěn)定，故有所謂“急冷措施”，以防止進一步反應或分解；為了保持高選擇性，常在低轉(zhuǎn)化率下操作，用第二反應器或原料循環(huán)等。這類作為氧化用的氧化物催化劑，可分為三類：①過渡金屬氧化物，易從其晶格中傳遞出氧給反應物分子，組成含2種以上且價態(tài)可變的陽離子，屬非計量化合物，晶格中陽離子常能交叉互溶，形成相當復雜的結(jié)構(gòu)。②金屬氧化物，用于氧化的活性組分為化學吸附型氧物種，吸附態(tài)可以是分子態(tài)、原子態(tài)乃至間隙氧（InterstitialOxygen）。③原態(tài)不是氧化物，而是金屬，但其表面吸附氧形成氧化層，如Ag對乙烯的氧化，對甲醇的氧化，Pt對氨的氧化等即是。金屬硫化物催化劑也有單組分和復合體系。主要用于重油的加氫精制，加氫脫硫（HDS）、加氫脫氮（HDN）、加氫脫金屬（HDM）等過程。金屬氧化物和金屬硫化物都是半導體型催化劑。因此由必要了解有關半導體的一些基本概念和術(shù)語。2半導體的能帶結(jié)構(gòu)及其催化活性催化中重要的半導體是過渡金屬氧化物或硫化物。半導體分為三類：本征半導體、n-型半導體和p型半導體。具有電子和空穴兩種載流子傳導的半導體，叫本征半導體。這類半導體在催化并不重要，因為化學變化過程的溫度，一般在300?700°C，不足以產(chǎn)生這種電子躍遷?？颗c金屬原子結(jié)合的電子導電，叫n-型（NegativeType）半導體。靠晶格中正離子空穴傳遞而導電，叫p-型］PositiveType）半導體。屬n-型半導體的有ZnO、Fe2O3、TiO2、CdO、V2O5、CrO3、CuO等，在空氣中受熱時失去氧，陽離子氧化數(shù)降低，直至變成原子態(tài)。屬于p-型半導體的有NiO、CoO、Cu2O、PbO、Cr2O3等，在空氣中受熱獲得氧，陽離子氧化數(shù)升高，同時造成晶格中正離子缺位。n-型半導體和p-型半導體都是非計量化合物。在n-型半導體中，如非計量ZnO,存在有Zn++離子的過剩，它們處于晶格的間隙中。由于晶格要保持電中性，間隙處過剩的Zn++離子拉住一個電子在附近，開成eZn++，在靠近導帶附近形成一附加能級。溫度升高時，此eZn++拉住的電子釋放出來，成為自由電子，這是ZnO導電的來源。此提供電子的能級稱為施主能級。在p-型半導體中，例如NiO，由于缺正離子造成的非計量性，形成陽離子空穴。為了保持電中性，在空穴附近有兩個Ni++變成Ni++，后者可看成為Ni++束縛一個空穴。溫度升高時，此空穴變成自由空穴，可在固體表面遷移，成為NiO導電的來源。空穴產(chǎn)生的附加能級靠近價帶，可容易接受來價帶的電子，稱為受主能級。與金屬的能帶不同，氧化物半導體的能帶是分立的、不迭加的，分為空帶和價帶。價帶為形成晶格價鍵的電子所占用，巳填滿?？諑现挥须娮邮軣峄蜉椛鋾r從價帶躍遷到空帶上才有電子。這些電子在能量上是自由的，在外加電場作用下，電子導電。此帶稱為導帶。與此同時，由于電子從滿帶中躍遷形成的空穴，以與電子相反應的方向傳遞電流。在價帶與導帶之間，有一能量寬度為Eg的禁帶。金屬的Eg為零，絕緣體的Eg很大，各種半導體的Eg居于金屬和絕緣體之間Fermi能級Ef是表征半導體性質(zhì)的一個重要的物理量，可以衡量固體中電子逸出的難易，它與電子的逸出功①直接相關。①是將一個電子從固體內(nèi)部拉到外部變成自由電子所需要的能量，此能量用以克服電子的平均位能，Ef就是這種平均位能。因此從Ef到導帶頂?shù)哪芰坎罹褪且莩龉Β佟ｏ@然，Ef越高，電子逸出越容易。本征半導體，Ef在禁帶中間，在施主能級與導帶之間；p-型半導體，Ef在受主能級與滿帶之間。對于給定的晶格結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ermi能級Ef的位置對于它的催化活性具有重要意義。故在多相金屬和半導體氧化催化劑的研制中，常采用添加少量助劑以調(diào)變主催化劑Ef的位置，達到改善催化劑活性、選擇性的目的。Ef提高，使電子逸出變易；Ef降低使電子逸出變難。Ef的這些變化會影響半導體催化劑的催化性能。半導體中的自由電子和空穴，在化學吸附中起著接受電子的作用，與催化活性密切相關。如果氣體在半導體氧化物上的化學吸附能使半導體的電荷負載增加，半導體的電導將隨之遞增，這種化學吸附就容易發(fā)生，通常稱為“累積吸附”；反之，使半導體的電荷負載減少而電導降低，化學吸附就較難發(fā)生，又稱'衰減吸附”。3氧化物表面的M=O鍵性質(zhì)與催化劑活性和選擇性的關聯(lián)（1）晶格氧（O=）起催化作用對于許多氧化物催化劑和許多催化反應，當催化劑處于氧氣流和烴氣流的穩(wěn)態(tài)下反應，如果使O2供應突然中斷，催化反應仍將繼續(xù)進行一段時間，以不變的選擇性進行運轉(zhuǎn)。若催化劑還原后，其活性下降；當供氧恢復，反應再次回到原來的穩(wěn)態(tài)。這些實驗事實說明，是晶格氧（O=）起催化作用，催化劑被還原。一般認為，在穩(wěn)態(tài)下催化劑還原到某種程度；不同的催化劑有自身的最佳還原態(tài)。根據(jù)眾多的復合氧化物催化氧化概括出：（A）選擇性氧化涉及有效的晶格氧；（B）無選擇性完全氧化反應，吸附氧和晶格氧都參加反應；（C）對于有兩種不同陽離子參與的復合氧化物催化劑，一種陽離子Mn+承擔對烴分子的活化與氧化功能，它們再氧化靠沿晶格傳遞的0=離子；使另一種金屬陽離子處于還原態(tài)承擔接受氣相氧。這就是雙還原氧化（dual-redox）機理（2）金屬與氧的鍵合和M=0鍵類型以Co2+的氧化鍵合為例，Co2++02+Co2+ Co3+-0-Co3+可以有3種不同的成鍵方式成M=0的。-兀雙鍵結(jié)合。（a）金屬Co的eg軌道（，）與02的孤對電子形成°鍵；（b）金屬Co的eg軌道與02的兀分子軌道形成°鍵；（c）金屬Co的t2g軌道（dxy，dxz，dyz）與02的兀*分子軌道開成兀鍵。（3）M=0鍵能大小與催化劑表面脫氧能力復合氧化物催化劑給出氧的能力，是衡量它是否能進行選擇性氧化的關鍵。如果M=0鍵解離出氧（級予氣相的反應物分子）的熱效應^HD小，則給出易，催化劑的活性高，選擇性??；如果^HD大，則給出難，催化劑活性低；只有^HD適中，催化劑有中等的活性，但選擇性好。4復合金屬氧化物催化劑的結(jié)構(gòu)化學具有某一種特定的晶格結(jié)構(gòu)的新化合的的生成，需要滿足3個方面的要求：①控制化學計量關系的價態(tài)平衡；②控制離子間大小相互取代的可能；③修飾理想結(jié)構(gòu)的配位情況變化，這種理想結(jié)構(gòu)是基于假定離子是剛性的，不可穿透的，非畸變的球體。實際復合金屬氧化物催化劑的結(jié)構(gòu)，常是有晶格缺陷的，非化學計量的，且離子是可變形的。任何穩(wěn)定的化合物，必須滿足化學價態(tài)的平衡。當晶格中發(fā)生高價離子取代低價離子時，就要結(jié)合高價離子和因取代而需要的晶格陽離子空位以滿足這種要求。例如Fe3O4的Fe++離子，若按y-Fe2O3中的電價平衡，可以書寫成Fe口1/3。4。陽離子一般小于陰離子。晶格結(jié)構(gòu)總是由配置于陽離子周圍的陰離子數(shù)所決定。對于二元化合物，配位數(shù)取決于陰陽離子的半徑比，即p=r陽/r陰。最后還有考慮離子的極化。因為極化作用能使圍繞一個電子的電荷偏移，使其偏離理想化的三維晶格結(jié)構(gòu)，以致形成層狀結(jié)構(gòu)，最后變?yōu)榉肿泳w，變離子鍵為共價鍵。（1）尖晶石結(jié)構(gòu)的催化性能共8頁:很多具有尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬氧化物常用作氧化和脫氫過程的催化劑。其結(jié)構(gòu)通式可寫成AB2O4。其單位晶胞含有32個0=負離子，組成立方緊密堆積，對應于式A8B16O32。正常晶格中，8個A原子各以4個氧原子以正四面體配位；16個B原子各以6個氧原子以正八面體配位。正常的尖晶石結(jié)構(gòu)，A原子占據(jù)正四面體位，B原子占據(jù)正八面體位，見圖6.3.4。有一些尖晶石結(jié)構(gòu)的化合物具有反常的結(jié)構(gòu)，其中B原子的一半占據(jù)正四面體位，另一半B與所有的A占據(jù)正八面體位。還有A與B完全混亂分布的尖晶石型化合物。就AB2O4尖晶石型氧化物來說，8個負電荷可用3種不同方式的陽離子結(jié)合的電價平衡：(A2++2B3+)，(A4++2B2+)和(A6++2B+)。2,3結(jié)合的尖晶石結(jié)構(gòu)占絕大多數(shù)，約為80%；陰離子除0=外還可以是S=、Se=^或Te=。A2+離子可以Mg++、Ca++、Cr++、Mn++、Fe++、Co++、Nr++、Cu++、Zn++、Cd++、Hg++或Sn++；B3+可以是Al3+、Ga3+、In3+、Ti+、V3+、Cr3+、Mn3+、Fe3+、Co3+、Ni3+或Rh3+。其次是4,2結(jié)合的尖晶石結(jié)構(gòu)，約占15%；陰離子主要是。=或S=°6,1結(jié)合的只有少數(shù)幾種氧化物系，如MoAg2O4,MoLi2O4以及WLi2O4。(2)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的催化性能這是一類化合物，其晶格結(jié)構(gòu)類似于礦物CaTiO3,是可用通式ABX3表示的氧化物，此處X是。=離子。A是一個大的陽離子，B是一個小的陽離子。在高溫下鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的單位晶胞為正立方體，A位于晶胞的中心，B位于正立方體頂點。此中A的配位數(shù)為12(O=)，B的配位數(shù)為6(O=)。見圖6.3.5。基于電中性原理，陽離子的電荷之和應為+6，故其計量要求為：[1+5]=AIBVO3；[2+4]=AIIBIVO3；[3+3]=AIIIBIIIO3具有這三種計量關系的鈣鈦礦型化合物有300多種，覆蓋了很大范圍。有關鈣鈦礦型催化劑，原則如下：組分A無催化活性，組分B有催化活性。A和B的眾多結(jié)合生成鈣鈦礦型氧化物時，或A與B為別的離子部分取代時，不影響它基本晶格結(jié)構(gòu)。故有A1-xABO3型的，有AB1-xBO3型的，以及A1-xAB1-yBO3型的等。A位和B位的陽離子的特定組合與部分取代，會生成B位陽離子的反常價態(tài)，也可能是陽離子空穴和/或O=空穴。產(chǎn)生這種晶格缺陷后，會修飾氧化物的化學性質(zhì)或者傳遞性質(zhì)。這種修飾會直接或間接地影響它們的催化性能。在ABO3型氧化物催化劑中，用體相性質(zhì)或表面性質(zhì)都可與催化活性關聯(lián)。因為組分A基本上無活性，活性B彼此相距較遠，約0.4nm；氣態(tài)分子僅與單一活性位作用。但是在建立這種關聯(lián)時，必須區(qū)分兩種不同的表面過程。一為表面層內(nèi)的：Intrafacial)，另一為表面上的(Superfacial)，前者的操作在相當高的溫度下進行，催化劑作為反應試劑之一，先在過程中部分消耗，然后在催化循環(huán)中再生，過程按催化劑的還原-氧化循環(huán)結(jié)合進行；后一種催化在表面上發(fā)生，表面作為一種固定的模板提供特定的能級和對稱性軌道，用于反應物和中間物的鍵合。一般地說，未取代的ABO3鈣鈦礦型氧化物，趨向于表面上的反應，而A位取代的（AA’）BO3型氧化物，易催化表面層內(nèi)的反應。例如Mn-型的催化表面上的反應，屬于未取代型的；Co-型和Fe-型則屬于取代型的。這兩種不同的催化作用，強烈地依賴于0=離子遷移的難易，易遷移的有利于表面層內(nèi)的反應，不遷移的有利于表面上的反應。影響ABO3鈣鈦礦型氧化物催化劑吸附和催化性能的另一類關鍵因素，是其表面組成。當A和B在表面上配位不飽和、失去對稱性時，它們強烈地與氣體分子反應以達到飽和，就會造成表面組成相對于體相計量關系的組成差異。比如B組分在表面上出現(xiàn)偏析，在表面上出現(xiàn)一種以上的氧種等，都會給吸附和催化帶來顯著的影響。鈣鈦礦型催化劑可能是由催化氧化、催化燃燒和汽車尾氣處理潛在可用的催化劑。用于部分氧化物反應類型有：脫氫反應，如醇變?nèi)?，烯烴變成二烯烴；脫氫羰化或腈化反應，如烴變成醛、月青；脫氫偶聯(lián)反應，如甲烷氧化脫氫偶聯(lián)成C2烴等。5金屬硫化物催化劑及其催化劑作用金屬硫化物與金屬氧化物有許多相似之處，它們大多數(shù)都是半導體類型的，具有氧化還原功能和酸堿功能，更主要的是前者。作為催化劑可以是單組分形式或復合硫化物形式。這類催化劑主要用于加氫精制過程。通過加氫反應將原料或雜質(zhì)中會導致催化劑中毒的組分除去。工業(yè)上用于此目的的有Rh和Pt族金屬硫化物或負載于活性炭上的負載型催化劑。屬于非計量型的復合硫化物，有以A12O3為載體，以Mo、W、Co等硫化物形成的復合型催化劑。硫化物催化劑的活性相，一般是其氧化物母體先經(jīng)高溫熔燒，形成所需要的結(jié)構(gòu)后，再在還原氣氛下硫化。硫化過程可在還原之后進行，也可還原過程中用含硫的還原氣體邊還原邊硫化，還原時產(chǎn)生氧空位，便于硫原子插入。常用的硫化劑是H2S和CS2。硫化后催化劑含硫量越高對活性越有利。硫化度與硫化溫度的控制、原料氣中的含硫量有關。使用中因硫的流失導致催化劑活性下降，一般可重新硫化復活。（/