第4章3过渡金属氧化物催化剂及其催化作用

各种催化剂及其催化作用催化剂是指在化学反应中参与反应过程，但在反应结束后仍能够恢复原状，不发生永久变化的物质。

催化剂能够降低反应的活化能，从而加速反应速率，提高反应的效率。

以下是一些常见的催化剂及其催化作用。

1.酶类催化剂：酶是生物体内的一类催化剂，它们能够加速和控制细胞内的化学反应。

例如，淀粉酶可以催化淀粉分解为葡萄糖；脱氢酶可以催化乳酸转化为丙酮酸。

2.金属催化剂：金属催化剂是最常见的一类催化剂，可以分为均相催化剂和异相催化剂。

均相催化剂溶解在反应物中，例如铂金催化剂可以催化氢气与氧气的反应生成水。

异相催化剂存在于反应物的表面，例如铁催化剂可以催化氧气和一氧化碳反应生成二氧化碳。

3.酸碱催化剂：酸和碱都可以作为催化剂，它们能够提供可用于化学反应的质子或氢离子。

例如，硫酸催化剂可以催化脂肪酸的酯化反应，碱催化剂可以催化酯类的水解反应。

4.过渡金属催化剂：过渡金属催化剂是一类特殊的金属催化剂，由过渡金属元素组成。

它们可以在反应中形成中间物种，从而加速反应的进行。

例如，氨合成反应中使用的铁催化剂能够促使氢气和氮气反应生成氨。

5.醇酶催化剂：醇酶是一类催化剂，可以催化香蕉、苹果等水果中的醇类物质从醛、酮分化成醇。

6.光催化剂：光催化剂是通过吸收光能并产生电荷转移，从而促进化学反应的催化剂。

例如，二氧化钛是一种常见的光催化剂，可以催化水的光解反应，产生氢气和氧气。

7.植物色素催化剂：植物色素是一类具有催化性质的有机化合物，可以催化光合作用中的反应。

例如，叶绿素是光合作用中的重要催化剂，能够催化光能的吸收和转化。

以上仅是一些常见的催化剂及其催化作用，实际上还有许多其他催化剂和催化作用。

催化剂在化学工业和生命科学领域中起着至关重要的作用，能够提高反应速率、增加产物产量和节约能源等。

随着科学技术的发展，对催化剂的研究和应用还将进一步深化，为人类的生活和工业生产带来更多的便利和进步。

第1章纳米过渡金属催化有机反应的进展纳米金属粒子一般是指1~50nm尺寸的粒子，在这个尺度内，其形状以及大小对该金属的性能有显著的影响。

其颗粒越小，分布于表面的原子越多。

有报道表明，当纳米粒子的直径为10nm时，有大约10%的原子在粒子表面，而当纳米粒子的直径小于1nm时，则100%的原子都在粒子的表面，这使其成为一种高活性的金属形态。

[1]因而，过渡金属纳米粒子用于催化有机反应近年来在国际上引起了极大的兴趣。

[2-6]近年来，各种形状或尺寸的纳米材料相继被制备出来，它们所具有的特殊性质，为催化剂的发展提供了新的思路。

纳米催化剂可通过化学、物理等方法进行制备。

无论采用何种方法，制备的纳米粒子都必须达到如下要求: 1)粒子形状、粒径及粒度分布可控；2)粒子不易团聚；3)易于收集；4)产率高。

纳米粒子由于其大小位于纳米级尺度，因此表现出了宏观物质不具备或在宏观物质中可被忽略的一些物理效应，例如：表面效应、量子尺寸效应、体积效应以及宏观量子隧道效应等。

纳米催化剂的表面原子的排列方式以及纳米粒子的晶态结构和形状对其催化作用有显著影响。

由于表面效应使得纳米催化材料的比表面积大、表面能高、晶内扩散通道短、表面催化活性位多，同时由于反应条件温和、催化性能优异而且易于与反应产物分离，具有高活性和高选择性，因此相对于常规催化剂而言，纳米催化剂在催化领域有着更为广阔的应用前景[7]。

加之反应结束后纳米粒子可以回收而且依然保持催化活性，所以可以重复使用，且其制作过程不污染环境，是一种环境友好的催化剂，从而具有常规催化剂所无法比拟的优点。

国际上已把纳米催化剂称为第四代催化剂[7]。

1.1纳米过渡金属催化剂的一般制备和稳定方法1.1.1 纳米过渡金属催化剂的一般制备方法过渡金属纳米粒子一般可由如下方法制备[8,9]：溶胶-凝胶法、浸渍法、微乳液法、离子交换法、水解法、等离子体法、微波合成法；金属盐的化学还原；零价金属配合物的热、光以及超声化学分解；有机金属化合物配体还原；气相沉积；以及高价金属的电化学还原等。

各种催化剂及其催化作用催化剂是在化学反应中加速反应速率但本身并不参与反应的物质。

通过提供一个能量有效的反应途径，催化剂可以降低活化能，从而促进反应的进行。

催化剂在各个行业都有广泛的应用，包括化学、能源、环境和医药等领域。

下面是一些常见催化剂及其催化作用的例子。

1.酶催化剂：酶是生物催化剂的代表。

酶在生物体内促进化学反应的进行，如消化食物、合成物质等。

酶催化剂具有高效、高选择性、低能量消耗等优点。

2.转金属催化剂：金属催化剂广泛应用于有机合成反应中。

例如，钯催化剂常用于氢化反应、交叉缩合反应等。

金属催化剂可以提供有效的活化位点，加速反应的进行。

3.齐特尔催化剂：齐特尔催化剂常用于聚合反应中。

例如，钛齐特尔催化剂被广泛用于聚合丙烯、乙烯等。

4.五氧化二钒催化剂：五氧化二钒催化剂可用于氮氧化物的催化还原。

五氧化二钒可将氮氧化物（如NOx）还原为氮气和水。

5.铂催化剂：铂催化剂常用于汽车尾气处理中。

它可以将一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO）转化为无害的二氧化碳和氮气。

6.锂催化剂：锂催化剂可用于有机合成中的各种反应，如还原、氧化等。

锂催化剂在有机合成中具有高效、高选择性和环境友好的特点。

7.过渡金属催化剂：过渡金属催化剂广泛应用于有机合成和不对称合成中。

它们可以催化诸多反应，如氧化反应、还原反应、偶联反应等。

8.碱催化剂：碱催化剂可用于酯化、烷基化等反应。

对于许多有机反应，碱催化可大大提高反应速率。

9.氧化剂催化剂：氧化剂催化剂可用于氧化反应，如醇的氧化、烃的氧化等。

例如，二氧化锰常用作氧化剂。

10.鲍耳催化剂：鲍耳催化剂可用于烯烃的水化反应。

鲍耳催化剂可以将烯烃转化为醇。

除了以上提到的催化剂，还有很多其他种类的催化剂被广泛应用于各个领域。

催化剂的运用不仅可以提高化学反应的速率和产率，还可以使反应更加环保和节能。

催化剂的发展和应用在加速科学和工业的进步中起到了至关重要的作用。

催化剂的作用的特征有哪些？催化剂能否改变化学平衡？（1）催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应（2）催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡的位置（平衡常数）（3）催化剂对反应具有选择性（4）催化剂的寿命。

催化剂能改变化学反应的速率，其自身并不进入反应的产物，在理想的情况下不为反应所改变。

但在实际过程中不能无限制的使用，催化剂经过多次使用后会失活。

催化剂如何加快化学反应速度？催化剂加快反应速率的原因与温度对反应速率的影响是根本不同的。

催化剂可以改变反应的路线，降低反应的活化能，使反应物分子中活化分子的百分数增大，反应速率加快。

催化作用可分为均相催化和非均相催化两种。

如果催化剂和反应物同处于气态或液态，即为均相催化。

若催化剂为固态物质，反应物是气态或液态时，即称为非均相催化。

在均相催化中，催化剂跟反应物分子或离子通常结合形成不稳定的中间物即活化络合物。

这一过程的活化能通常比较低，因此反应速率快，然后中间物又跟另一反应物迅速作用（活化能也较低）生成最终产物，并再生岀催化剂。

该过程可表示为：A + B=AB（慢）A + C=AC（快）AC + B=AB + C（快）式中A、B为反应物，AB为产物，C为催化剂。

由于反应的途径发生了改变，将一步进行的反应分为两步进行，两步反应的活化能之和也远比一步反应的低。

该理论被称为“中间产物理论”。

在非均相催化过程中，催化剂是固体物质，固体催化剂的表面存在一些能吸附反应物分子的特别活跃中心，称为活化中心。

反应物在催化剂表面的活性中心形成不稳定的中间化合物，从而降低了原反应的活化能，使反应能迅速进行。

催化剂表面积越大，其催化活性越高。

因此催化剂通常被做成细颗粒状或将其附载在多孔载体上。

许多工业生产中都使用了这种非均相催化剂，如石油裂化，合成氨等，使用大量的金属氧化物固体催化剂。

该理论称为“活化中心理论”。

催化剂可以同样程度地加快正、逆反应的速率，不能使化学平衡移动，不能改变反应物的转化率。

金属催化剂及其相关催化过程金属催化剂是一类广泛应用于化学反应中的催化剂，通过调变反应物和产物之间的能垒，加速反应速率。

金属催化剂以金属元素或以金属为主要成分的化合物为催化剂的主体。

以下将介绍几个常见的金属催化剂及其相关催化过程。

1.贵金属催化剂贵金属催化剂是指铂、钯、铑、钌等贵金属及其合金催化剂。

这些催化剂活性高、选择性好、稳定性强。

铂催化剂在氢气氧化反应中具有重要的应用。

贵金属催化剂常用于有机合成中的氢化反应、加氢反应、氧化反应等催化过程。

2.过渡金属催化剂过渡金属催化剂主要指镍、铁、铜等过渡金属及其化合物。

这些过渡金属具有良好的催化活性和选择性，常用于有机合成中的氢化反应、偶联反应、氧化反应等催化过程。

例如，铁催化剂在氧气存在下可以促进苯的氢化反应，催化剂中的过渡金属镍可以催化合成氢化物。

3.锂催化剂过渡金属锂及其化合物作为锂催化剂，其催化活性高，常用于电化学反应中。

锂催化剂在锂氧电池中起到催化氧还原反应的作用，提高电池的能量密度和循环寿命。

此外，锂催化剂还可以应用于有机合成中的碳-碳键和碳-氮键偶联反应。

4.铁催化剂铁催化剂是近年来受到广泛关注的一类催化剂，其优势在于价格低廉、丰富资源、环境友好。

铁催化剂常用于有机合成中的氢化反应、还原反应、碳-碳键形成反应等。

其催化活性和选择性可以通过配体的选择和反应条件的调控来进行优化。

金属催化剂的催化过程主要包括吸附、表面反应和解吸三个步骤。

首先，反应物的吸附在催化剂表面，吸附过程可以通过电子转移或键的共享来实现。

吸附后，反应物在催化剂表面进行表面反应，活化反应物，产生过渡态中间体，从而形成产物。

最后，产物通过解吸或反应物再次吸附来离开催化剂表面。

综上所述，金属催化剂是一类重要的催化剂，在化学反应中起到促进反应速率和增强反应选择性的作用。

贵金属催化剂、过渡金属催化剂、锂催化剂和铁催化剂是常见的金属催化剂。

金属催化剂的催化过程包括吸附、表面反应和解吸三个步骤，其催化活性和选择性可以通过调控多种因素进行优化。

催化原理作业第⼀章催化剂与催化作⽤基本知识1．催化剂的定义及催化剂的催化作⽤包含哪三个⽅⾯？2．催化反应的分类？3．催化剂分类并举例。

4．固体催化剂的组成。

5．载体的作⽤。

6．催化剂的反应性能及表⽰⽅法。

7．催化剂要具备哪些性能才能满⾜⼯业⽣产的要求？8．多相催化反应主要包括哪七步？9．简单阐述外扩散和内扩散的定义。

10. 催化剂的稳定性的定义及包含哪⼏个⽅⾯。

第⼆章催化剂的表⾯吸附与孔扩散1．简述吸附现象；吸附及脱附过程的定义。

2．物理吸附及化学吸附的内涵及它们之间的特性区别。

3．化学吸附的类型。

4．解释缔合吸附并举例说明。

5．催化剂的吸附等温线可分为哪⼏种类型？从曲线的形状可对催化剂的性质获得哪些了解？6．将经过活化的硅胶（粒度为40⽬~120⽬）分别采⽤氦和汞的置换体积来测定真密度和假密度。

实验数据如下：硅胶质量为101.5 g ，氦置换体积为45.1mL，汞置换体积为82.7mL。

已知硅胶⽐表⾯积为400m2·g-1，试计算：（1）硅胶的真密度和假密度；（2）硅胶的⽐孔容；（3）硅胶的孔隙率；（4）硅胶的平均孔径。

第三章酸碱催化剂及其催化作⽤1．试述B酸与L酸的本质区别及SHAB原则。

写出分⼦筛的化学组成式。

分⼦筛作为催化剂，对反应选择性主要与它的什么因素有关？⽽稳定性⼜主要与它的什么因素有关？2.⽤正碳离⼦反应规律说明下述反应机理。

CH3CH2CHCH3Br3.Na型分⼦筛⽤做固体催化剂时，为什么要进⾏离⼦交换？⽤不同价数的阳离⼦交换对催化剂活性有何影响？4.如何调节沸⽯酸中⼼的强度和数量？5.沸⽯分⼦筛择形催化的分类，择形催化作⽤的影响因素及其调变。

沸⽯分⼦筛催化机理是什么？⽤分⼦筛催化机理说明下述反应：第四章⾦属催化剂及其催化作⽤1.为什么⾦属催化剂主要是过渡⾦属元素？过渡⾦属元素作为催化剂有什么特点？2.什么是⾦属催化剂的电⼦逸出功和反应物分⼦的电离势？并说明它们对吸附状态有什么影响？3.晶体结构对催化作⽤有什么影响？4.简述催化重整的反应机理以及催化重整有哪些催化剂。

第一章催化剂与催化作用基本知识1、简述催化剂的三个基本特征。

答：①催化剂存在与否不影响△Gθ的数值，只能加速一个热力学上允许的化学反应达到化学平衡状态而不能改变化学平衡；②催化剂加速化学反应是通过改变化学反应历程，降低反应活化能得以实现的；③催化剂对加速反应具有选择性。

2、1-丁烯氧化脱氢制丁二烯所用催化剂为MoO3/BiO3混合氧化物,反应由下列各步组成(1）CH3-CH2-CH=CH2+2Mo6++O2—→CH2=CH—CH=CH2+2Mo5++H20（2）2Bi3++2Mo5+→2Bi2++2Mo6+（3）2Bi2++1/202→2Bi3++02—总反应为CH3-CH2-CH=CH2+1/202→CH2=CH-CH=CH2+H20试画出催化循环图。

CH3-CH2—CH=CH2Bi3、合成氨催化剂中含有Fe3O4、Al2O3和K20，解释催化剂各组成部分的作用。

答：Fe3O4：主催化剂，催化剂的主要组成，起催化作用的根本性物质Al2O3:构型助催化剂,减缓微晶增长速度,使催化剂寿命长达数年K20：调变型助催化剂，使铁催化剂逸出功降低，使其活性提高第二章催化剂的表面吸附和孔内扩散1、若混合气体A和B2在表面上发生竞争吸附，其中A为单活性吸附,B2为解离吸附：A+B2+3＊→A＊+2B ＊,A和B2的气相分压分别为p A和p B。

吸附平衡常数为k A和k B。

求吸附达到平衡后A的覆盖率θA和B的覆盖率θB.解：对于气体A：吸附速率v aA=k aA P A（1—θA—θB）；脱附速率v dA=k dAθA平衡时：v aA=v dA ,即θA=(k aA/k dA）P A（1—θA—θB）=k A·k B(1—θA—θB）对于气体B：吸附速率v aB=k aB P B(1—θA-θB）2；脱附速率v dB=k dBθB2平衡时：v aB=v dB ，即θ2= k B P B(1—θA—θB）2。

《催化原理》教学大纲二、课程目的和任务催化原理课程是化学工程与工艺专业的必修专业课以及其他相关专业的选修课。

催化剂在现代化学工业中占有重要的地位,了解和掌握催化剂与催化作用的基本原理对于化学工程与工艺专业以及相关专业的学生是具有相当重要的意义。

通过对本课程的学习，使学生了解目前工业生产和科学研究中最常用的四大类型催化剂，即酸碱催化剂、金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂和络合物催化剂。

掌握催化作用基础，各类催化剂的组成、结构、催化反应、催化作用原理以及催化剂的工业应用和典型实例的剖析。

三、本课程与其它课程的关系本课程是在无机化学、有机化学、物理化学等课程的基础上，综合运用先修课程的基础知识，分析和解决化工生产与科学研究中催化剂与催化作用的问题,同时为今后的工作与进一步学习化工中的其它专业知识提供理论基础。

四、教学内容、重点、教学进度、学时分配（一）绪论(1学时)1、主要内容催化剂与催化作用的重要性；催化科学的发展及特点。

2、重点催化剂、催化作用概念3、教学要求了解本课程的性质、任务和内容，了解催化学科的发展及重要性。

（二）催化剂与催化作用的基础知识(3学时)1、主要内容催化作用的特征；催化作用的分类；固体催化剂的组成和结构层次；催化剂的反应性能及工业对催化剂的要求；多相催化反应系统分析。

2、重点催化作用的基本特征，固体催化剂的组成。

3、教学要求了解催化作用的基础知识，掌握催化作用的基本特征和固体催化剂的组成和结构层次。

利用催化作用的基本特征解决一些实际问题。

（三）催化剂的吸附、表面积、孔结构(2学时)1、主要内容催化剂的物理吸附和化学吸附；化学吸附类型和化学吸附态；吸附平衡与吸附等温方程；催化剂的表面积及孔结构。

2、重点物理吸附和化学吸附鉴别，吸附平衡，化学吸附态。

3、教学要求了解催化剂的物性及主要表征方法，催化剂的吸附。

（四）金属催化剂及其催化作用(8学时)1、主要内容金属催化剂的应用及催化作用；金属催化剂的化学吸附；金属催化剂电子因素与催化作用的关系；金属催化剂晶格结构与催化作用的关系；负载型金属催化剂及其催化作用；合金催化剂及其催化作用；金属催化剂催化作用的典型反应分析。

双氧水分解的常见催化剂
双氧水（H2O2）是一种常用的氧化剂，可用于消毒、漂白、污染治理等许多领域。

但是，它在常温常压下不太稳定，容易分解成水和氧气，因此需要添加催化剂来加速分解反应。

以下将介绍几种常见的催化剂及其作用机理。

第一类：金属离子催化剂
金属离子，尤其是铁、钴、铜等过渡金属离子，可以促进双氧水的分解反应。

这种催化剂的机理是：金属离子与双氧水反应生成金属-双氧水配合物，通过给予双氧水电荷，促进其分解反应。

其中，铁离子特别常用，因为它易于获取、安全稳定。

第二类：酶催化剂
另一类常见的双氧水分解催化剂是酶，例如过氧化氢酶（catalase）。

这类催化剂的机理是：酶分解双氧水成氧气和水并回收酶分子。

一旦有酶在周围，单个酶分子便可以催化大量反应，从而显着加速双氧水分解。

这类催化剂通常非常灵敏，需要小心处理。

第三类：过渡金属氧化物催化剂
除了离子和酶催化剂，过渡金属氧化物也是双氧水分解反应的常见催化剂。

钼酸铵（NH4MoO4）和钒酸铵（NH4VO3）是两种常见的过渡金属氧化物催化剂，它们通过氧化还原反应、阴离子交换反应、吸附反应等多种方式促进双氧水分解。

这些催化剂可以在低浓度下加速双氧水反应，因而非常经济实用。

总之，双氧水分解的催化剂有多种，其机理各异，但都可以显著加速反应速度并改善反应过程。

如何选择催化剂，取决于双氧水分解反应的具体条件和所需的反应速度。

无论使用哪种催化剂，操作者都需小心谨慎，以避免发生意外。