催化

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1定義催化即通過催化劑改變反應物的活化能改變反應物的化學反應速率反應前後催化劑的量和質均不發 催化實驗

生改變的反應

化學反應物要想發生化學反應必須使其化學鍵發生改變改變或者斷裂化學鍵需要一定的能量支持能使化學鍵發生改變所需要的最低能量閾值稱之為活化能而催化劑通過降低化學反應物的活化能而使化學反應更易進行且大大提高反應速率

2發展史早在公元前中國已會用酒麴生物酶催化劑造酒18世紀中葉鉛室法制硫酸中用氧化作催化劑是工業上採用催化劑的開始催化這個詞是1835年J.J.貝采利烏斯引用到化學學科中來的1902年W.奧斯特瓦爾德將催化定義為加速化學反應而不影響化學平衡的作用1910年實現合成氨的大規模生產是催化工藝發展史上的里程碑20世紀以來催化工藝迅速發展例如20年代研究成功用鈷催化劑由一氧化碳和氫合成液體燃料的費-托法1955年研究成功齊格勒-納塔催化劑用於烯烴定向聚合現代化學工業和煉油工業的生產過程已有80%以上使用了催化方法

3原理降低活化能在催化反應過程中至少必須有一種反應物分子與催化劑發生了某種形式的化學作用由於催化劑的介入化學反應改變了進行途徑而新的反應途徑需要的活化能較低這就是催化得以提高化學反應速率的原因例如化學反應A+B→AB,所需活化能為E在催化劑C參與下反應按以下兩步進行

A+C→AC所需活化能為E1

AC+B→AB+C所需活化能為E2

E1E2都小於E (見圖)催化劑C只是暫時介入了化學反應反應結束后,催化劑C即行再生 催化示意圖

按阿倫尼烏斯方程k=Ae-E/RT(式中A為指前因子;R為氣體常數T為熱力學溫度),以反應速率常數k表示的反應速率主要決定於反應活化能E,若催化使反應活化能降低ΔE,則反應速率即提高e-ΔE/RT倍催化反應一般能降低活化能約10千卡/摩爾若反應在300K下進行,則反應速率可增加約1.7×10倍

表面性能多相催化是工業上應用最多的這種催化作用在催化劑表面上進行因此固體催化劑的表面性質對催化作用就會有很大影響催化劑比表面積大表面上活化中心點多表面對反應物吸附能力強這些都對催化活性有利因為化學吸附能降低反應活化能表面孔隙度大和孔徑大小合適對催化劑的選擇性有利例如分子篩催化劑的極強的選擇性就是由於它的孔徑尺寸只能允許某種分子XX孔內到達催化劑表面而被催化

作用方式催化劑與反應物分子怎樣發生化學作用這與催化劑和反應物分子本身的性質有關實驗證明有機化合物的酸催化反應一般是通過正碳離子機理進行的鹼催化反應則是由OHRORCOO等陰離子起催化作用例如

CH3COOC2H5+OH→CH3COOH+C2H5O

C2H5O+H2O→C2H5OH+OH

過渡金屬化合物催化劑在均相催化反應中的作用是絡合催化作用醇鈉催化丁二烯聚合是通過自由基機理進行的例如

C4H6+NaR→R·+C4H6Na·

C4H6Na·+nC4H6→Na(C4H6)n+1

性能指標①催化活性催化劑參與了化學反應降低了化學反應的活化能大大加快了化學反應的速率這說明催化劑具有催化活性催化反應的速率是催化劑活性大小的衡量尺度活性是評價催化劑好壞的最主要的指標②選擇性一種催化劑只對某一類反應具有明顯的加速作用對其他反應則加速作用甚小甚至沒有加速作用這一性能就是催化劑選擇性催化劑的選擇性決定了催化作用的定向性可通過選擇不同的催化劑來控制或改變化學反應的方向③壽命穩定性催化劑的穩定性以壽命表示它包括熱穩定性機械穩定性和抗毒穩定性

助催化劑  本身不具有催化活性但加入后加入量一般低於催化劑量的10%可顯著提高催化劑的活性選擇性和穩定性一種工業催化劑往往要加入幾種助催化劑才能使催化劑的活性選擇性和壽命都達到預定要求例如合成氨用的雙促進催化劑鐵-三氧化二鋁-氧化鉀中的三氧化二鋁和氧化鉀就是助催化劑

抑製劑  催化劑中含有的能降低催化劑活性的物質在多數場合它是在催化劑製備過程中由原料不可避免地帶入的在催化反應過程中由反應物帶入的抑製劑則稱催化毒物

催化劑載體  不具有催化活性的用來負載催化劑的固體物質把催化劑成分分散負載在載體上製成的催化劑稱負載型催化劑常用的催化劑載體有活性碳硅藻土活性氧化鋁硅膠和分子篩對載體的要求是機械強度高熱穩定性和化學穩定性好載體雖不具有催化活性但它可能與催化劑發生化學作用載體也改變了催化劑的表面性能因而選用合適的載體也可以提高催化劑的活性選擇性和壽命

4催化種類

均相催化催化劑與反應物同處於一均勻物相中的催化作用有液相和氣相均相催化液態酸鹼催化劑可溶性過渡金屬化合物催化劑和碘一氧化氮等氣態分子催化劑的催化屬於這一類均相催化劑的活性中心比較均一選擇性較高副反應較少易於用光譜波譜同位素示蹤等方法來研究催化劑的作用反應動力學一般不複雜但均相催化劑有難以分離回收和再生的缺點

多相催化多相催化發生在兩相的界面上通常催化劑為多孔固體反應物為液體或氣體多相催化反應通常可按下述七步進行①反應物的外擴散反應物向催化劑外表面擴散②反應物的內擴散在催化劑外表面的反應物向催化劑孔內擴散③反應物的化學吸附④表面化學反應⑤產物脫附⑥產物內擴散⑦產物外擴散這一系列步驟中反應最慢的一步稱為速率控制步驟化學吸附是最重要的步驟化學吸附使反應物分子得到活化降低了化學反應的活化能因此若要催化反應進行必須至少有一種反應物分子在催化劑表面上發生化學吸附固體催化劑表面是不均勻的表面上只有一部分點對反應物分子起活化作用這些點被稱為活性中心

復相催化復相催化是一獨立的化學反應它兼有均相催化的溫度和多相催化的速度同時具有可控的方向性在反應時全方位的進行催化致使反應速度加快數千倍由於催化能力倍增使其可從碳水化合物中移動氫氧而這正是把工業和生物廢棄物一步法轉化為標準汽柴油的科學基礎列如

二氧化碳 + 廢塑料輪胎汽柴油+可燃氣+炭黑 既解決了空中環境堵塞又將地面廢棄物轉化為能源

煤+地面農林牧城市生活廢棄物城市工業廢棄物汽柴油+可燃氣+炭黑

既解決了地面的污染問題地面生態通道的堵塞和煤排出的CO2問題又將煤地面廢棄物轉化為急需的汽柴油基礎油它產生的可燃氣體和天然氣的低碳排放是一個水平排出的可燃氣體碳排放量為16%天然氣的碳排放量12%

優化化石能源的產業結構用先進的催化技術和仿生能源的工藝方法將 煉油工業轉化為資源節約型的工業結構

石油-汽柴油+可燃氣+炭黑

以高科技手段打破壟斷形成資源節約型產業把地下化石能源成本降下來 相比于傳統煉油設備成本為1/5 生產成本為1/2且更多的產出來源於石油中的生物質

  復相催化具有廣泛的用途它可替代多相和均相催化同時它也會從本質上改變燃燒動力因而對動能機械影響很大像飛機火車輪船及其它大型運輸工具因為它可解決加速度和長距離巡航問題另外它可降低多種物質的臨界點這將極大的有利於核反應爐超臨界萃取地下油砂的開採

註明復相催化是繼中威公司2009年發明的新催化方法 

生物催化 催化原理

酶是一種生物催化劑生物體內的所有化學變化幾乎都是在酶催化下進行的酶的催化作用稱為生物催化酶的催化活性高選擇性強生物催化在常溫中性條件下進行高溫強酸強鹼都會使酶喪失活性離體的酶仍具有催化活性可製成各種酶製劑應用在醫學和工農業生產上

其他還有電催化光助催化光電催化等

按催化作用機理可把催化劑分為金屬催化劑金屬氧化物催化劑配位絡合催化劑酸鹼催化劑和多功能催化劑

金屬催化金屬催化劑主要用於脫氫和加氫反應有些金屬還具有氧化和重整的催化活性金屬催化劑主要是指456周期的某些過渡金屬,如鐵金鉑鈀銠銥等金屬催化主要決定於金屬原子的電子結構特別是沒有參與金屬鍵的d軌道電子和d空軌道與被吸附分子形成吸附鍵的能力因此金屬催化劑的化學吸附能力和d軌道百分數是決定催化活性的主要因素

金屬氧化物催化主要是指過渡金屬氧化物催化非過渡金屬氧化物催化已歸入酸鹼催化過渡金屬氧化物催化劑廣泛用於氧化加氫脫氫聚合加合等反應實用的金屬氧化物催化劑常為多組分氧化物的混合物很多金屬氧化物催化劑是半導體其化學組成大多是非化學計量的因此催化劑組分很複雜金屬氧化物催化劑的導電性和逸出功金屬離子的 d電子組態氧化物中晶格氧特性半導體電子能帶催化劑表面吸附能力等都與催化劑的催化活性有關

配位絡合催化金屬特別是過渡金屬及其化合物有很強的絡合能力能形成多種類型的絡合物某些分子與金屬或金屬離子絡合后便易於進行某特定反應該反應稱為配位絡合催化反應該金屬或其化合物起絡合催化劑作用過渡金屬絡合催化劑在溶液中作為均相催化劑方面的研究和應用較多過渡金屬絡合催化作用一般都是配位絡合催化作用即催化劑在其空配位上絡合活化反應物分子絡合催化劑一般都是金屬絡合物或化合物如鈀銠鈦鈷的絡合物等

酸鹼催化阿倫尼烏斯酸鹼布侖斯惕酸鹼路易斯酸鹼(見酸鹼理論)的催化作用都屬酸鹼催化作用酸鹼催化可分均相催化和多相催化許多離子型有機反應如水解水合脫水縮合酯化重排等常可用酸鹼均相催化固體酸催化劑廣泛用於催化裂化異構化烷基化脫水氫轉移歧化聚合等反應

多功能催化 有機廢氣催化燃燒凈化設備

若反應物A直接變成產物B的反應難以進行則可通過幾個催化化學反應來實現例如SⅠSⅡ分別為兩個反應的催化劑則可將SⅠSⅡ混合起來製成雙功能催化劑使A→B的反應實現這就是多功能催化多功能催化與一個催化反應的多步驟是有區別的此處的C不是在催化劑表面形成的中間絡合物,而是由SⅠ表面脫附出來的有其自己的結構和熱力學性質的化學物質

應用  現代化學工業的巨大成就與催化劑的使用是分不開的約80%以上的化學工業產品是借助於催化過程來生產的可以說沒有催化劑就沒有現代化學工業

催化劑的使用,使人類對自然資源的利用更合理,利用的途徑更廣闊例如從煤炭和石油資源出發合成了甲醇乙醇丙酮丁醇等基本有機原料改變了過去用糧食生產的途徑合成纖維的生產減輕了人類對棉花依賴塑料的發展減輕了人類對木材的依賴合成橡膠化肥醫藥合成食品調味品的生產都與催化劑的使用分不開總之催化技術使人們更充分地利用自然資源生活得更加豐富多彩

催化劑的使用和更新及更有效的催化劑的出現都會促進技術革新改變工業面貌節約能源提高勞動生產率生產出質量更高的產品例如硫酸的生產開始是用一氧化氮作催化劑的鉛室法產品濃度雜質產量小用鉑作催化劑可使硫酸產品濃度達98%以上可制得發煙硫酸用釩作催化劑后產品質量大大提高,成本大幅度下降又如煉油工業中的催化裂化,用分子篩催化劑代替無定形硅鋁膠催化劑後由于分子篩的擇形作用改變了裂化產物的分佈得到了高質量產品催化劑的使用可改變工藝流程減少三廢催化轉化還是治理三廢變廢為寶的有效方法[1]


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