對催化科學(xué)的認識

對催化科學(xué)的認識一、 緒論眾所周知，在化學(xué)反應(yīng)體系中，加入某些物質(zhì)，可以改變反應(yīng)平衡的速率，而這些物質(zhì)本省在反應(yīng)前后，不論是質(zhì)量還是化學(xué)性質(zhì)，都沒有變化。這種物質(zhì)成為催化劑，它的作用稱為催化作用。在學(xué)習(xí)了《催化原理及應(yīng)用》這門課以后，我對催化科學(xué)有了更深的認識。以前只是認為催化是一種加工制造手段，現(xiàn)在我認為催化是一門科學(xué)，一門技術(shù)，也是一門藝術(shù)。催化的世界繽紛多彩、變換莫測。相同的催化劑可以催化出不同的產(chǎn)物，不同的催化劑也可以催化出相同的產(chǎn)物。催化劑實際參與了化學(xué)反應(yīng)，但卻不在總化學(xué)反應(yīng)配平式中出現(xiàn)。此乃催化劑及其催化作用的奧妙之處。二、 催化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用人類認識和利用催化反應(yīng)，是一個歷史的過程。早起的化學(xué)工業(yè)除釀造業(yè)是生物催化外，其他都是非催化反應(yīng)，例如陶瓷業(yè)、冶金業(yè)等等，后來的制堿、人造絲和電化學(xué)工業(yè)等等也都是非催化的。到了近代，隨著合成氨、硫酸、染料、油脂工業(yè)的發(fā)展，以及二戰(zhàn)期間煤液化和合成橡膠等工業(yè)的發(fā)展，金屬盒過渡金屬氧化物催化劑得到廣泛的應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后飛度發(fā)展的石油化工和高分子化工，毫無例外，也都是建立在催化反應(yīng)基礎(chǔ)之上的。催化技術(shù)在20世紀(jì)的一大重大成就，是三大合成（合成塑料、合成纖維、合成橡膠)催化劑的發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)30年代，英國FawettEC將氧或過氧化物作催化劑，用于乙烯聚合取得成功，并于1937年由ICI公司實現(xiàn)了聚乙烯的生產(chǎn)。但該過程需在高壓條件下才能實現(xiàn)。1953年，德國化學(xué)家ZieglerK在研究有機金屬化合物時發(fā)現(xiàn)，Al(C2H5)3?TiCl4對乙烯聚合具有很好的催化效能，并可在常溫常壓條件下進行線性聚合。1954年意大利化學(xué)家NattaG在此基礎(chǔ)上，將Ziegler催化劑用于丙烯聚合，成功獲得等規(guī)立構(gòu)聚丙烯。Ziegler-Natta的卓越貢獻，開創(chuàng)了聚烯烴工業(yè)的新紀(jì)元。1963年，兩位科學(xué)家一道獲得了諾貝爾化學(xué)獎。三、催化技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展歷史和現(xiàn)狀都表明，催化科學(xué)和技術(shù)與社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展有著密切的關(guān)系。當(dāng)前，人口的高速增長、能源的緊缺和環(huán)境的污染，形成了世界性的三大挑戰(zhàn)?？梢哉f，催化技術(shù)是化學(xué)工業(yè)的核心技術(shù)，而催化材料是催化技術(shù)的靈魂。催化科學(xué)是一門面向重大資源、有著極其重要應(yīng)用范圍和前景的基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，特別是煤、石油、天然氣等化石資源的優(yōu)化利用方面起著舉足輕重的作用。在石油日益短缺的今天，催化的作用更大。資源的開發(fā)和有效利用，合成人類所需要的新產(chǎn)品、新材料，能源的開發(fā)和合理利用，環(huán)境的控制和保護，都對催化技術(shù)提出了更高的要求。催化技術(shù)對現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)、石油加工工業(yè)、食品工業(yè)和精細化學(xué)品工業(yè)至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今已有90%的化工過程采用催化技術(shù)。縱觀化學(xué)工業(yè)發(fā)展史，便可發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)工業(yè)的變革和發(fā)展中，催化科技的進步和催化劑的應(yīng)用起著決定性的作用。20世紀(jì)初，煤化工的發(fā)展，是由于發(fā)明了合成氨的鐵催化劑所推動；50年代石油化工的興起，與發(fā)現(xiàn)了Ziegler-Natta聚合催化劑分不開；60年代至70年代，是世界石油化工發(fā)展的全盛時期，其發(fā)展速度之快，經(jīng)濟效益增長之大，居各工業(yè)部門之首。這也正是催化科學(xué)和技術(shù)迅猛發(fā)展的20年，各種催化技術(shù)不斷出現(xiàn)，各類新型催化劑層出不窮，國際性的催化學(xué)會誕生和發(fā)展了，第一種專業(yè)性國際催化學(xué)術(shù)刊物(JournalofCatalysis)于1962年創(chuàng)刊了。1956年在美國費城召開了第一次國際催化會議，1960年在巴黎召開的第二次國際催化會議盛況空前，以后逐屆擴大。近幾十年來，催化劑的應(yīng)用基礎(chǔ)研究范圍不斷深入和擴展，形成了很多新領(lǐng)域，滲透到很多新產(chǎn)業(yè)(如能源催化、環(huán)保催化、家用催化、化學(xué)傳感器、材料合成、納米材料制備等)。催化劑在應(yīng)用領(lǐng)域的巨大成功，促進人們努力探求催化作用的本質(zhì)，追求高效催化劑的研制方法催化合成已成為綠色化學(xué)合成的主要手段，催化化學(xué)一直是化學(xué)學(xué)科的最熱點之一，在國家的科學(xué)決策中占有重要的地位。上世紀(jì)末期，由美國著名化學(xué)家組成的“化學(xué)科學(xué)和機會調(diào)查委員會”，以及美國化學(xué)科學(xué)技術(shù)部，美國物理科學(xué)、數(shù)學(xué)和資源委員會，美國全國研究委員會，對美國化學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景進行了三年的調(diào)研分析，撰寫了《化學(xué)中的機會(OpportunitiesinChemistry)書。四、催化科學(xué)的研究重點、特點和方向催化是一門綜合性很強的新學(xué)科，催化劑的設(shè)計、制備、活性評價、結(jié)構(gòu)表征和工業(yè)應(yīng)用涉及有機化學(xué)、無機化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、表面科學(xué)、測試技術(shù)、物理學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)工藝和化學(xué)工程等多門學(xué)科。它們彼此相互交叉、相互滲透、相互補充和相互促進、催化研究憑借其他學(xué)科的進步與發(fā)展，將新理論、新技術(shù)移植到本學(xué)科領(lǐng)域，不斷完善和發(fā)展本學(xué)科，這是催化學(xué)科的主要特點。隨著科技的發(fā)展，催化作為一門新的學(xué)科，在自身不斷發(fā)展與進步的同時，也不斷促進相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。這種彼此滲透，相互促進主要體現(xiàn)在一下及方面：（1）催化始終以促進化學(xué)工業(yè)的發(fā)展與進步作為研究重點；（2）開發(fā)新能源和凈化環(huán)境是催化工作者的歷史使命；（3）根據(jù)我國資源特點，使用催化新材料，開發(fā)新型高效催化劑，是催化技術(shù)的核心。（4）充分發(fā)揮新技術(shù)在催化劑開發(fā)研究中的作用。特點指出，借用計算機技術(shù)，將CAD（Computer-Aided-Design）技術(shù)引入催化劑的設(shè)計和研究，已成為現(xiàn)代催化劑開發(fā)的發(fā)展方向之一。五、催化類型和催化劑的分類按催化反應(yīng)體系中物相的均一性進行分類，催化反應(yīng)可分為均相催化，多相（非均相）催化，酶催化反應(yīng)。按反應(yīng)機理（反應(yīng)中反應(yīng)分子之間電子傳遞的情況）進行分類，催化反應(yīng)可分為酸堿型催化反應(yīng)，氧化還原型催化。按反應(yīng)類型可分為加氫-脫氫、氧化、水合-脫水、異構(gòu)、碳化、烷基化、聚合、裂解等類型的催化劑。按照催化劑的化合狀態(tài)和導(dǎo)電性，可分為金屬催化劑（屬道題）、金屬氧化物和硫化物（屬半導(dǎo)體或絕緣體）、固體酸及其鹽類（屬絕緣體）和絡(luò)合物類催化劑。催化劑的分類方式有許多種，但各種劃分之間均有交叉，所以日前尚未有統(tǒng)一的定論。根據(jù)催化劑分類之一，基于物理狀態(tài)可分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)；基于物質(zhì)化學(xué)屬性可分為有機、無機、金屬有機（MLn）；基于物質(zhì)生物學(xué)屬性可分為生物、非生物；基于元素周期律可分為主族、副族；基于催化作用可分為酸堿、氧化-還原、光、電、酶；基于催化劑在反應(yīng)體系中的分散狀態(tài)可分為均相、多相、相轉(zhuǎn)移。根據(jù)催化劑分類之二，可分為金屬催化劑，半導(dǎo)體催化劑，酸、堿催化劑，配位（絡(luò)合）催化劑，酶催化劑。