《催化原理》教學大綱

PAGEPAGE3《催化原理》教學大綱、課程基本信息課程編號：課程編號：02010713001課程中文名稱催化原理課程英文名稱PrinciplesofCatalysis課程類別專業(yè)課適用專業(yè)材化（催化方向）開課學期第六學期總學時64學時總學分4先修課程物理化學，無機化學，有機化學本課程是材料化學專業(yè)催化方向的專業(yè)課。課程系統(tǒng)講授了化學反映過程中催化作用和原理、基本概念和基本研究方法，主要內(nèi)容囊括：基本概念，課程簡介吸附作用，氣固多相催化反映動力學基礎(chǔ)以及不同催化劑（酸堿催化劑，金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑和過渡金屬配合物催化劑）的催化機理及其在實際生產(chǎn)進程中的應(yīng)用。建議教材孫桂大等。石油化工催化作用導論［M］.北京：石化出版社，2000［1］李榮生等催化作用基礎(chǔ)（第二版）［M］北京科學出版社,1990.［2］吳越催化化學［M］，北京：科學出版社,1995.參考資料［3］高正中實用催化［M］,北京：化學工業(yè)出版社,1996.［4］王桂茹催化劑與催化作用第二版）［M］,大連：大連理工大學出版社,2004.、課程教學目標掌握有關(guān)催化的基本概念（如選擇性，活性，穩(wěn)定性，外擴散，內(nèi)擴散，催化循環(huán)等等）和基本理論（如催化劑的酸中心、多位理論和配位催化理論等） 。掌握如何將理論知識和應(yīng)用研究有機接合，培養(yǎng)學生新的思維方法和創(chuàng)新能力。三、理論教學內(nèi)容與要求1緒論（6學時）教學內(nèi)容 要求程度引言

了解催化科學的重要性和特點；理解催化作用與熱力學、動力學；掌握催化劑的作用和催化作用的體現(xiàn)。了解催化作用的發(fā)展；催化作用與催化劑

理解催化作用和催化劑的重要性質(zhì)；掌握催化劑活性和選擇性的各種表示方法以及它們適用的條件。催化劑的一般組成 了解催化劑的一般組成；掌握工業(yè)催化劑各個要求。了解催化學科的發(fā)展方向；（4）催化體系的分類 掌握催化體系的各種分類法的優(yōu)點掌握均相催化和多相催化的優(yōu)缺陷。（5）催化學科的研究范圍（6）催化學科的發(fā)展

了解催化學科的研究內(nèi)容與范圍。了解催化學科的發(fā)展進程。2吸附作用（8學時）教學內(nèi)容 要求程度（1）吸附現(xiàn)象

了解物理吸附與化學吸附的異同；掌握一些有關(guān)吸附的基本概念，催化反映與吸附的關(guān)系?；瘜W吸附強度的指標一一吸附熱

理解積分吸附熱與微分吸附熱；掌握吸附熱的表示方法。a的影響a

了解覆蓋度的變化與E

E與es與

的關(guān)于應(yīng)關(guān)系。吸附的可逆性 了解吸附的可逆性與不可逆性的區(qū)別。了解研究化學吸附態(tài)實驗方法，吸附態(tài)囊括三方面的內(nèi)容，化學吸附態(tài)決定產(chǎn)物；化學吸附態(tài) 理解不同物質(zhì)的吸附態(tài)，化學吸附態(tài)決定產(chǎn)物吸附等溫線

掌握一些常見小分子（苯，稀烴，炔烴，物的吸附態(tài)。了解吸附等溫線類型；理解等溫吸附平衡；

CO,HO等化合掌握一些基本概念（如滯后環(huán)）和II型,IV型等溫線特點。了解非理想的吸附等溫式，及Freunlich等溫方吸附等溫方程 程,Temkin等溫方程；掌握Langmuir吸附理論及其等溫方程式。了解程序升溫脫附技術(shù)；吸附速率與脫附速率的表達吸附速率與脫附速率教學內(nèi)容多相催化反映進程表面質(zhì)量作用定律

式。氣固多相催化反映動力學基礎(chǔ)（ 6學時）要求程度掌握氣固多相催化反映的完成囊括的步驟及其動力學特點。掌握表面質(zhì)量作用定律的內(nèi)容；了解不存在控制步驟的動力學方程，化學反映為控制步驟的動（3）理想吸附層的速率方程 力學方程、吸附為控制步驟的動力學方程及脫附為控制步驟的動力學方程兩步機理模型外擴散關(guān)于反映動力學的影響內(nèi)擴散關(guān)于反映動力學的影響反映區(qū)間的識別

掌握兩步機理模型的兩個假設(shè)，三個定理。掌握外擴散關(guān)于動力學的影響。了解不同內(nèi)擴散的特點及Thiele理論。掌握內(nèi)外擴散阻滯效應(yīng)的識別及消除方法。載體和助劑（4學時）助劑

教學內(nèi)容

要求程度掌握助劑在催化劑中所起的主要作用和關(guān)于活性主分的影響及如何識別結(jié)構(gòu)性助劑和調(diào)變性助劑。載體 了解常用的一些載體的種類、性質(zhì)；掌握載體的作用；掌握三氧化二鋁晶形的變化。固體酸催化劑及其催化作用（10學時）教學內(nèi)容 要求程度酸堿催化劑的應(yīng)用及其類型酸堿定義及酸堿中心的形成固體酸性質(zhì)及其測定（固體酸性質(zhì)、固體酸表面酸性質(zhì)的測定）（4）固體酸性質(zhì)與催化性能的關(guān)系

了解酸堿催化劑的應(yīng)用，酸堿催化劑的分類。了解酸堿定義；掌握一些常見化合物酸堿中心的形成（分子篩）Hammett指示劑的胺滴定法，其它的酸測定方法。了解酸中心類型，酸中心強度和酸中心數(shù)目與催化活性、選擇性的關(guān)系；掌握正碳離子的形成和反映機理。了解催化裂化進程關(guān)于催化劑的要求和催化裂化原料的影響；固體酸催化劑在石油化工中的應(yīng)用 掌握酸催化裂化反映熱裂化的特點、氫轉(zhuǎn)移反映的特點和作用、不同烴類催化裂化反映機理。了解催化劑的失活方式、延緩失活的方法；固體酸催化劑的失活和再生 掌握固體酸催化劑催化結(jié)焦失活機理和再生方法及注意的問題。金屬催化劑及其催化作用（10學時）教學內(nèi)容 要求程度金屬結(jié)構(gòu)與催化性能關(guān)系 了解金屬催化劑的結(jié)構(gòu)、催化作用；理解金屬晶體結(jié)構(gòu)及晶面原子排布；掌握多位理論的要點。了解載體如何調(diào)變金屬（金屬載體強相互作用 ）；金屬催化劑催化性能調(diào)變 理解載體調(diào)變金屬的催化性能掌握顆粒效應(yīng)和溢出效應(yīng)。了解加氫反映、加氫催化劑的活性中心；（3）催化加氫 掌握催化加氫大致可以分為兩類、活化不飽和化合物與活性之間相互適應(yīng)性關(guān)系。了解重整催化劑的技術(shù)進步，及重整催化劑常見的毒物，催化劑的開工和再生等；掌握催化重整的目的，原料、重整催化劑應(yīng)促進的反映、催化（4）催化重整 重整動力學、烷烴芳構(gòu)化的理論轉(zhuǎn)化率是很高的，實際上在雙功能重整催化劑上烷烴芳構(gòu)化產(chǎn)率遠低于平衡產(chǎn)率。Pt-Re,Pt-SnReSn化和更新的作用。（5）乙烯氧化制環(huán)氧乙烷 了解乙烯氧化的熱力學和動力學數(shù)據(jù)，銀催化劑上乙烯氧化反應(yīng)機理及銀催化劑調(diào)變方法。過渡金屬氧化物催化劑及其催化作用（ 10學時）教學內(nèi)容（1）過渡金屬氧化物催化劑的表面化學和催化作用基礎(chǔ)

要求程度了解催化劑的表面幾何形態(tài)和分散作用、氧物種之間的轉(zhuǎn)化和催化作用；掌握過渡金屬氧化物的表面與體相組成、氧化物的表面4PAGEPAGE6動態(tài)學、親電氧化和親核氧化。了解丙烯氧化制丙烯酸機理；（2）選擇性氧化進程 掌握脫氫和氧化脫氫的優(yōu)缺陷，正丁烷氧化法催化劑及生產(chǎn)方（3）脫氫和氧化脫氫

法、正丁烷氧化為順酐的反映歷程。了解反映工藝和催化劑；掌握丁烯氧化脫氫制丁二烯鐵系催化劑失活原因。了解石油餾分中常見的含硫和氮化合物及加氫催化劑和（4）加氫處理進程 加氫處理催化劑設(shè)計要求，加氫脫硫的反映機理掌握雜環(huán)含氮化合物的加氮脫氮進程。教學內(nèi)容

過渡金屬配合物催化劑及其催化作用

10學時）要求程度了解配位鍵理論和配體的分類；過渡金屬配合物中的配位鍵理論 理解金屬-配位體成鍵情況；掌握過度金屬絡(luò)合物中過渡金屬原子或離子與配位原子、分子鍵合成的情況及各種多面體的結(jié)構(gòu)。掌握完成過渡金屬配合物所催化的反映經(jīng)過的步驟、配體取過渡金屬配合物的催化作用基礎(chǔ) 代、加成活化的進程、活化分子間的反映（還原消除反映，3消除反映）。羰基合成進程

了解羰基化技術(shù)進展和要求，反映進程中催化劑的循環(huán)；理解氫甲酰化進程、Reppe型羰基化進程。過渡金屬配合物的催化氧化進程

了解瓦克工藝進程的優(yōu)缺陷，乙烯配合氧化為乙醛的反應(yīng)機理。聚合和齊聚反映進程

了解乙烯齊聚的反映進程；a塔催化劑體系的聚丙烯進程及催化劑活性中心的形成。烯烴的歧化過渡金屬原子簇（自學）過渡金屬配合物催化劑的多相化四、考核方式

了解烯烴的歧化機理。掌握多相化方法方法。采用期末考試和平時考核相接合的考核方式。 總成績?yōu)?00分，其中期末考試成績占總成績的平時成績（囊括作業(yè)、出勤、課堂小測驗等）占總成績的30%。五、習題為什么說催化進程本質(zhì)上是一個動力學進程？加氫功能催化劑往往關(guān)于脫氫反映也有活性，水合功能催化劑往往關(guān)于脫水反映也有活性。試給出解釋。試比較各種表示催化劑活性方法的特點和要求。催化劑依照功能大致可以分為幾類？在為某原料尋找加氫催化劑時，利用簡單的反映器試驗過許多樣本，催化劑均是粉末或仔細研磨過的材料。每次試驗均加0.1g催化劑到50ml原料內(nèi)，良好攪拌，過一定時間測定 H2的吸收速率。在某些情況下，如果加入兩倍量的催化劑，反映速率卻提高至2 2 設(shè)反映CH5+H TCH2 2

4—6倍。這可能是什么原因。2 b Ki(1) CH<-->2 b Ki3 2 4 CH +H tCH+H3 2 4 2 6 4 3 H+C HtCH+2 6 4 3 設(shè)反映(1)為平衡狀態(tài)，關(guān)于H作穩(wěn)態(tài)處理，試表明[CH

]/t=2k k2CH]2[H]4 2 2 6 22 光氣分解的總反映為COCCOCl2 2(1)Cl <-->2Cl22 Cl+COCl tCO+2 3 Cl <-->Cl +3 其中(2)為控制步驟，(1),(3)為平衡狀態(tài)，試表明反映速率方程為2 x/t=K[COCl ][Cl ]2 為什么結(jié)構(gòu)助劑不改變反映的活化能，而調(diào)變性助劑卻有此功能？硅藻土在使用前要用酸處理的作用。Al2Q酸中心的形成？Hammett函數(shù)或酸強度函數(shù)的表示方法及意義。試舉例說明為什么說骨架異構(gòu)化反映比較困難？簡述催化裂化催化劑積碳進程。催化裂化產(chǎn)物特點及原因。試舉例說明催化劑的結(jié)焦量和結(jié)焦來源與分子篩結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中鋁密度有關(guān)？簡述固體酸催化劑失活后再生方法和注意的問題。舉例討論加氫催化劑的活性中心。雙功能重整催化劑的組成及其作用。Pt-Re系列重整催化劑中Re的作用。簡要說明重整催化劑再生、氯化和更新的進程和要求。名詞解釋(1)羰基化進程；(2)外擴散；(3)轉(zhuǎn)化頻率；(4)收率；(5)調(diào)變性助劑；(6)共催化劑；(7)基元反映；(8)起始吸附熱；(9)吸附等溫式；(10)質(zhì)量作用定律；(11)空速.工業(yè)上關(guān)于催化劑的要求。均相與多相催化作用的比較。氧化物表面酸性(單金屬和雙金屬)產(chǎn)生的原因正碳離子是如何形成？并且舉例說明。簡述多位理論的要點。氧化脫氫的優(yōu)點。

,試舉例說明并且畫出酸性結(jié)構(gòu)簡圖 .體或產(chǎn)品，從而完成一個配合催化的循環(huán)。在該反映進程中有兩類反映：插入反映(或內(nèi)配位體遷移作用）和消除反映。試舉例說明消除反映的類型。甲酸在金屬上的分解反映步驟A+Mk-1

-M+1/2B

(1)-M C+1/2B+M （2）~」2式中：A—HCOO；B—H；C—CQ;一-COOHM—活性中心2假定吸附契合朗格謬爾模型， （2）為控制步驟，試推導表面催化反映動