【大学课件】催化剂的设计

以上的例子只是对现有催化剂组成和结构的改进，这一 过程可能也很困难，但是，如果一旦需要设计组成结构全新 的催化剂时，催化剂设计者们将面临选择合适材料以供实验 的问题。这项工作难易与否依赖于可靠的研究数据。
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如果没有现存的工艺过程作指导，研究工作就可能会完 全转向新的、还没有人试过的材料，也就是必须找到一种合 适的活性组分。其它因素比如最佳活性、选择性、寿命和配 方等则是下一步研究应考虑的问题。
在催化剂的开发中，目标反应非常重要。这一点对化学 反应是容易的，但对石油和其它原料加工过程，确定目标反 应就不那么简单，因为在这些过程中存在着众多的反应，需 要将这些反应依典型化合物集合成反应类型。
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图6．1所示为Dowden的设 计方法，它们包括： (1)化学计量分析； (2)热力学分析； (3)假定分子机理； (4)假定表面机理； (5)反应路径识别； (6)确定所需的催化剂性质； (7)寻找适当的材料； (8)假定催化剂等步骤。
如何制备所希望的组成和结构的催化剂?
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第二节 对分子设计的了解
1980年以前、大多数新催化剂和催化过程的开发依照图
6．4模型进行：
催化剂经合成后，先在小型反应器中进行试验，以筛选具
有一定活性、选择性和使用寿命的催化剂，然后通过不断地
摸索改进合成，最后找到一种具有一定经济价值和良好催化
性能的催化剂。依照这样的摸索过程，一个新过程的诞生，
第六章 催化剂的分子设计
第一节 概述
催化剂是化学工艺中的主要原料。它们控制着以
这些化学工艺为基础的大多数化学反应的速率和途径。
然而，当代催化技术的发展还不足以先进到这样的地
步，即能开发一种满足这一技术应用的苛刻要求的催
化剂，比如温和条件下的高活性、苛刻条件下的高稳
定性、以及接近100％的选择性等。这就要求我们在
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现代计算机具有很高的储存数据和性能分析的能力。化学 计量分析与热力学计算很容易被编制成程序，因此需考虑的反 应的范围大大拓宽，设计考虑可充分利用专家们的知识的总结， 这样就提高了效率、节省了时间。
图6．2是计算机辅助设计的结构图，但仍需要在软件开发 和数据库的组织上下功夫。
尽管如此，这一方法仍需要我们进行大量的摸索和反复试 验。随着科学领域在理论化学、催化理论、表征手段、结构化 学、反应工程等方面的高速发展，对未来催化剂设计的要求也 更高。
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很显然，这种方法有两个缺陷： 一是对表面反应机理的选择。在这一点上，设计者必须 具有专门的知识。 二是在化学计量分析和热力学分析等中需要书写化学反 应式、进行热力学计算等乏味的工作，例如特化学计量式全 部列出有时是一件十分庞大的工作。 另外，许多分子机理都是可行的，因此就导致设计者必 须设想许多表面反应机理，也就产生了许多“候选催化剂”。 尽管设计者的专业知识可以排除许多不可能性，但还存在着 诸如耐心、成见和偏见等人为因素，这也可能使设计者忽视 了某一可行的途径，即使依照此办法一切都进展顺利，但也 太花时间，而计算机辅助催化剂设计可以解决这一问题。
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因此，我们必须尽可能地利用现有的科学知识，借 助于计算机辅助催化剂设计，用比以前少得多的实验次 数，开发出我们所需要的工业催化剂。
此外，市场对现有产品的低成本路线、为新产品而 开发的新工艺以及对现有工艺的改进使之更加适应于环 境等方面的要求日益强烈，都促使催化剂设计走向分子 水平，是催化剂分子设计的强大动力。
从起始到商业化往往需要8—12年的努力，而且依照不同的
过程需要支付—大笔研究和开发费用，尽管也有些例外的情
况。其中之一是1971年孟山都公司开发的醋酸工艺，从第一
个实验到工业化仅用了不到4年的时间。然而，如果对这件
事仔细分析一下就不难发现分子设计的许多重要要素，它们
预示着分子设计时代的到来。ppt来自件ppt课件10
催化剂的性能，即催化活性(或速率)、选择性和使用寿 命(或稳定性)与催化剂的化学和物理性质间的关系等。
在催化剂的化学性质中，酸碱性和氧化还原性(氧化能 力)可能是最重要的，表面积及孔结构则属于物理性质。
如何建立催化剂的化学和物理性质与催化剂的组成和 结构间的函数关系?例如催化剂的酸性或氧化能力与催 化活性间的关系。
催化剂设计上投入更多的研究和探索。
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设计一种能满足某一过程需要的催化剂就好像给某一病 症下处方一样，我们希望这一设计过程应当准确、成功，并 以科学的方法为基础。然而在实际生产中，这一过程依赖于 研究者的技巧：其背景、知识、经验以及过去从事工作的经 历等。不过，无论是催化领域还是医学领域，我们都不断地 努力提高设计过程的准确性，而不仅仅是照搬处方。
所有成功的催化剂发明者都是将其独特的经验与已有的 知识结合起来、其中一些人的工作非常有条理，而另一些人 则凭直觉和智慧。在20世纪60年代，Dowden第一个试图系 统地进行催化剂设计，以便那些经过科学训练的但没有任何 经验的化学家和工程师们也能涉足这一似乎非常奇妙的领域。
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Dowden的方法已经证明，在许多工业应用中非常成功。 如果在工艺开发过程中认为要对催化剂的扩散和机械性能进 行改进，那么，催化剂的设计就应该把重点放在能优化催化 剂颗粒大小、孔结构和强度的制备和配方上。如果要改进催 化剂抗失活能力，那么，就应该从引入化学和结构助剂或通 过改变孔的形状来寻找答案。对再生过程的改进要考察加入 燃烧添加剂。
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对于催化剂的分子设计耍循如下要求； 创造全新的、表征完全的活性位——新构型或新组成。 例如多金属精细微颗粒、金属氧化物等。 结合两种或多种功能——酸—碱、酸—氧化还原等。 (3)控制反应范围一一反应物分子在活性位的选择浓度和活
性(择形性、疏水载体、拟液体相等)。 在催化剂设计过程中必须弄清如下的关系〔图6．3〕：
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催化剂的分子设计过程如图6．5所示，市场对新产品或 新过程的需求与近来的技术性材料过程和概念紧密相联。这 为催化剂的设计提供了新的见识。催化剂和初步的工艺过程 在纸面上设计，某些方面在计算机上模拟。模拟包括对反应 物、催化剂和产物的结构构型和稳定性的分子图解分析，以 及用先进的计算机模型技术对初步的工艺设计进行模拟。利 用这些信息以及许多新合成方法合成催化剂，并用有力的分 析工具表征催化剂，以便使催化反应能准确地和催化剂的表 面和整体结构相关联，然后对催化剂进行性能评估和表征， 从而对初始的合成方法进行合适的改进。这个循环性改进不 断进行，直到开发出一种经济的工艺过程。