多相催化反应过程的步骤

多相催化反应的步骤
多相催化反应通常涉及以下步骤：
1. 扩散：反应物分子从气相主体扩散到催化剂表面。

2. 吸附：反应物分子在催化剂表面被吸附。

3. 反应：被吸附的反应物分子在催化剂表面发生化学反应，生成产物分子。

4. 脱附：产物分子从催化剂表面脱附。

5. 扩散：产物分子从催化剂表面扩散到气相主体。

这些步骤中的每一步都可能受到许多因素的影响，例如催化剂的性质、反应物和产物的浓度、温度、压力等等。

因此，优化多相催化反应的条件需要综合考虑这些因素。

2005年博士研究生入学考试工业催化试题及答案一、名词解释：多相催化－指催化剂与反应物分别处于不同相的催化反应体系，通常为固液相反应或固气相反应，即催化剂为固相，反应物以液态或气态的形式与催化剂接触，从而发生催化反应。

催化剂寿命－是指催化剂从开始使用至它的活性下降到在生产中不能再用的程度（这个程度取决于生产的具体技术经济条件）所经历的时间。

催化助剂－这是催化剂中具有提高主催化剂的活性、选择性，改善催化剂的耐热性、抗毒性、机械强度和寿命等性能的组分。

简言之，在催化剂中只要添加少量助催化剂，即可明显达到改进催化剂催化性能的目的。

助催化剂通常可分为：结构助催化剂、电子助催化剂、晶格缺陷助催化剂和扩散助催化剂。

活性位－催化剂的活性位随不同的催化剂而异，它可以是一个质子，配位络合物，表面原子簇，蛋白质上的胶束囊。

一般以“*”表示。

对固体催化剂而言，它是固体表面的配位不饱和的原子或由这样的原子组成的簇，在一系列的反应步骤中，反应物或中间物能吸附在它的上面。

绿色化学－绿色化学相对于传统化学是更高层次的化学。

它是利用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人体健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物及副产物等的使用和生产。

其主要特点是原子经济性，即在获取新物质的转化过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，因此可以充分利用资源，又不产生污染。

择形催化－因为分子筛结构中由均匀的小内径，当反应物和产物的分子线度与晶内孔径相接近时，催化反应的选择性常取决于分子与孔径的相应大小。

这种选择性称之为择形催化。

物理吸附和化学吸附－由分子间的作用力即范德华力产生的吸附为物理吸附，一般不具有选择性，即可以发生单分子层吸附，也可以形成多分子层吸附。

由化学键力产生的吸附为化学吸附，具有明显的选择性，只能发生单分子层吸附。

金属的分散度－金属在载体上微细的分散程度用分散度表示，其定义为：D ＝总的金属离子表面的金属离子/克催化剂 固定床反应器－凡是流体经过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称为固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所形成的床层而进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。

多相催化反应动力学基础
多相催化反应是指反应物和催化剂处于不同的相（如气-气、气-液、液-液、固-液等），催化剂在反应中起到催化作用。

多相催化反应的动力学研究包括反应速率、反应速率方程和反应机理等方面。

1. 反应速率：反应速率是指单位时间内反应物消失或生成的物质量。

对于多相催化反应，其速率可以通过测定反应物浓度或催化剂表面物质的变化来确定。

多相催化反应速率受到很多因素的影响，包括反应物浓度、催化剂表面积、温度、压力和物质传递等。

2. 反应速率方程：多相催化反应的速率可以通过与反应物浓度和催化剂活性表面积的关系来描述。

通常，多相催化反应速率方程可以用Langmuir-Hinshelwood模型来表示，该模型考虑了反应物在催化剂表面上吸附和反应的过程，一般形式为： - r = k * θA * θB
其中，r是反应速率，k是反应速率常数，θA和θB分别是反应物A和B在催化剂表面的覆盖度。

3. 反应机理：多相催化反应的机理包括吸附、表面反应和解吸等一系列步骤。

在多相催化反应中，反应物要先吸附到催化剂表面，然后在催化剂表面上发生反应，并最终从表面解吸释放出产物。

通过研究这些步骤的细节，可以揭示多相催化反应的机制和催化剂的性能。

总之，多相催化反应的动力学研究涉及反应速率、速率方程和
反应机理等基本概念。

这些研究对于优化催化反应条件、设计高效催化剂以及理解催化过程中的反应机理都具有重要意义。

一氧化碳的催化氧化机理（多相催化原理）By 叶洪舟(CCME 2011级)一、简介：CO 是大气污染物之一，一定浓度的CO 它能通过与血红蛋白中的亚铁离子形成稳定配位键而使血红蛋白失去载氧能力从而使人体窒息身亡。

各种机动车中含碳化石燃料的不完全燃烧将产生大量CO ，因此随着人民生活水平的提高，汽车尾气逐渐成为了大气CO 的主要来源之一。

而对CO 废气的有效处置方法之一便是将其氧化为CO 2。

对于反应CO(g)+1/2O 2(g)→CO 2(g)，△r H m =-283.0kJ ·mol -1，△r S m =-86.5J ·mol -1·K -1，由此可见，该反应在温度不太高时（＜~3000℃）热力学上是自发的，但由于CO 分子的相对不活泼性，在没有催化剂或者引燃的条件下该反应不能发生（动力学障碍）。

因此，寻找合适的催化剂成了解决该问题的关键。

在过去50多年的研究中，研究的重点一直放在过渡金属（尤其是铂族的贵金属）催化剂引导的多相催化反应上。

该领域无论是在催化剂表面化学还是催化过程动力学的研究中都取得了长足的发展。

但由于稀有金属逐渐升高的价格，本世纪初开始了金属氧化物催化剂的研究，并在短短10年间取得了大的进展[1]。

也有部分化学家开始研究纳米金催化剂的可行性并取得了一定突破[2]。

本文从多相催化基本原理的角度介绍一氧化碳在Rh 、Pt 等贵金属催化剂催化下氧化为CO 2的一般机理，并通过对反应机理进行简单的动力学推导得到CO 催化氧化的速率方程。

二、多相催化的一般过程：1、多相催化反应的原理：多相催化反应，即催化剂和反应底物不在同一相的催化反应。

在多相催化中，催化剂通常是有着高比表面积的固体物质。

由于催化剂表面层原子周围的原子要比体相的少，因此在化学性质上是配位不饱和的，可以和与之相邻的气相或者液相的合适的分子形成新化学键（化学吸附作用）以达到相对稳定的饱和结构的趋势。

多相催化反应基础多相催化反应基础催化反应循环以CO催化氧化反应为例，催化反应过程的分⼦⽔平描述如图1.5所⽰。

CO+O2→CO2催化反应过程基本步骤第⼀步，反应分⼦扩散过程：反应分⼦从⽓相扩散到⾦属（活性组分）表⾯，这⾥，反应分⼦基本上以吸附分⼦形态存在分⼦表⾯扩散与解离过程:，反应分⼦可能发⽣表⾯扩散，并解离成吸附态原⼦。

以CO催化氧化为例，由于O2的键能(500kJ/mol) ⽐CO的键能(1076kJ/mol)低，O2分⼦易于解离成Oa。

表⾯反应过程: CO+Oa →CO2 通常表⾯反应过程是催化反应的速度控制步骤(rate-determining step) 反应产物脱附过程: 吸附在催化剂表⾯的反应产物(CO2)的表⾯结合能被打破，并从表⾯脱附出来产物分⼦扩散过程：产物分⼦从催化剂表⾯脱附后扩散到⽓相，然后随反应⽓离开反应器⽓相扩散过程是催化反应中复杂性问题扩散控制的判断与消除催化反应过程中涉及的扩散包括外扩散与内扩散外扩散阻⼒来⾃⽓固边界层的滞流层，⽓流⽅向的线速度直接影响滞流层的厚度。

当流体线速度达到⾜够⾼时，外扩散的影响可以消除（为什么？）内扩散阻⼒来⾃催化剂颗粒孔隙内径和长度（内通道⼏何尺度），所以，催化剂颗粒⼤⼩将直接影响分⼦内扩散过程。

通过改变催化剂颗粒度⼤⼩对反应速率影响的实验，可以判断反应区内是否存在内扩散的影响问题1：为什么要消除扩散影响？改变线速度是否就可以达到预定效果？问题2：说明内扩散效应对催化反应的利与弊。

多相催化反应中速度控制步骤速度控制步骤通常分为两种类型：即扩散控制与化学反应控制，后者⼜称为动⼒学控制。

当催化反应为扩散控制时，外扩散与内扩散起主导作⽤，影响扩散过程的反应器操作条件（⽓流速度等）和催化剂微孔结构对催化反应效率⾄关重要，⽽催化剂本⾝的活性⽆法充分显⽰。

因此，只有消除扩散影响，才能充分发挥催化剂的功效。

当催化反应为动⼒学控制时，表⾯化学吸（脱）附与表⾯反应起主导作⽤，催化剂的组成与微观结构直接影响催化反应效率，在这种条件下，催化剂的功效可以得到充分发挥。

1.绿色化学:利用一系列原理来降低和消除在化工产品的设计、生产及应用中有害物质的使用和产生.2.零排放:指无限的减少污染物和能源排放直至为零的活动。

3。

手性催化：手性就是物质的分子和镜像不重合性4.手性化合物：指分子量、分子结构相同，但左右排列相反的化合物，如实与其镜中的映体。

5.择形催化：沸石具有规则的孔道和孔笼结构，宽敞的通道和孔道靠可限制及区分进出的分子,使其具有形状及大小选择性，故称这种催化为择形催化.6.催化剂：在化学反应中能改变其他物质的反应速率而自身质量和化学性能不发生改变的物质，又称工业味精。

7.催化剂中毒：原料中的杂质，反应中形成的副产物等是催化剂的活性,选性明显降低或丧失的现象8。

溢流：固体表面吸附物（离子或自由基)迁移到次级活性中心的现象.9.载体：是活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架.可划分为低比表面积和高比表面积两类.10.助催化剂：加入到催化剂的少量物质，是催化剂的副主成分，其本身没有活性或者活性很小，但把它加入到催化剂中后,可以改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面构造、分散状态、机械强度等。

11。

环境友好：主要包括预防污染的少废或无废的工艺技术和产品技术，同时也包括治理污染的末端技术。

12.强相互作用:作用于强子之间的力。

(时空产率单位:mol/(l＊h)）13。

时空产率：单位体积或单位面积的设备在单位时间内得到目的产物的数量。

14.超强酸:固体酸的强度若超过100％硫酸的酸强度，称为超强酸。

15。

超强碱：强度较中性物质高出19个单位的碱性物质，称为超强碱.16.杂多酸：由杂原子和配位原子按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸，或为多氧族金属配合物。

17.分子筛:分子筛是结晶型的硅铝盐酸，具有均匀的孔隙结构。

18。

络合催化:指催化剂在反应过程中对反应物起络合作用,并且使之在配位空间进行催化的过程。

19。

三效催化：把一氧化碳,碳氢化合物，氮氧化合物分别氧化还原为对人体无害的二氧化碳，氮气，水蒸气时进行催化的过程。

工业催化复习题1、按照催化反应系统物相的均一性进行分类，可将催化反应分为1、按照催化反应机理进行分类，可将催化反应分为 ________________ 、 ______________ 两种类型。

1、根据催化剂各组分的作用可分为主 ________ 、______ 、________ 和 ______ 01、根据助催化剂的功能可分为以下 _________ 、_______ 、________ 和 ______ 催化剂。

1、载体是催化剂中主催化剂和助催化剂的分散剂，其作用可以归纳为、、、和01、催化剂各组元的 _______ 、_______ 、_______ 和 ______ 等存在状态直接影响催化剂的催化性能。

1、根据催化反应机理和催化剂与反应物化学吸附状态，可将催化循环为____________ 和_______________ 02、根据分子在固体表面吸附时的结合力不同，吸附可分为 __________ 和________ 02、根据分子化学吸附时化学键断裂情况，吸附可分为 __________ 和 __________ o2、化学吸附按其所需活化能的大小可分为 _________ 和___________ o2、催化剂的孔结构参数主要包括 _____ _、 ________ 、______ _、_______ _和______ o 2、吸附质分子在催化剂孔内存在的几种扩散形式有 ________________ 、 _________ _、__—和 ________ 03、固体酸性质包括三个方面：即 ________ 、_______ —和_________ __03、沸石分子筛可视为由结构单元逐级堆砌而成，一级结构单元为 ________ _ 四面体，二级结构单元是由四面体通过氧桥形成的 ___________ ，二级结构单元还可以通过氧桥进一步连接成 __________ 03、根据酸碱质子理论，凡是能够提供质子的物质称为 __________ ;凡是能接受质子的称为 ________ 03、根据酸碱电子理论，凡是能够接受电子对的物质称为 __________ ;凡是能提供电子的称为 ________ 03、固体酸表面酸性质的测定方法有 _________________ 和___________________ 03、沸石分子筛的择形催化根据Csicsery的观点可分为三种：________________ 、_ 3、多相酸碱催化剂对烃类的催化多按 __________________ 进行4、金属催化剂的电子逸出功©和反应物分子的电离势I的大小，反应物分子在催化剂表面上进行化学吸附时，电子转移情况：当©〉I时，电子从 _____________________________ 向金转移；当© v I时，电子从_______________ 向______________ 转移；当© -1时，电子难以在反应物分子与催化剂之间转移，两者各提供一个电子形成 __________ 。

多相催化多相催化反应是气态或液态反应物与固态催化剂在两相界面上进行的催化反应。

其历程至少包括反应物在催化剂表面上的化学吸附，吸附中间物的转化(表面反应)和产物脱附三个连续步骤。

阐明一个多相催化反应的历程，需揭示有关催化剂的活性部位和表面吸附中间物的结构和性质；吸附与催化反应的关系(如吸附分子之间反应或吸附分子与气相分子反应)；催化剂表面活性部位如何在催化循环中获得再生以使催化反应能连续进行等。

一般是通过多相催化反应的动力学与催化剂的物理化学分析以获得对其历程的了解和应用，下面就让我来阐述具体的影响过程。

吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。

由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。

化学吸附的主要特点是：仅发生单分子层吸附；吸附热与化学反应热相当；有选择性；大多为不可逆吸附；吸附层能在较高温度下保持稳定等。

化学吸附又可分为需要活化能的活化吸附和不需活化能的非活化吸附，前者吸附速度较慢，后者则较快。

化学吸附是多相催化反应的重要步骤。

研究化学吸附对了解多相催化反应机理，实现催化反应工业化有重要意义。

吸附特点与物理吸附相比，化学吸附主要有以下特点：①吸附所涉及的力与化学键力相当，比范德华力强得多。

②吸附热近似等于反应热。

③吸附是单分子层的。

因此可用朗缪尔等温式描述，有时也可用弗罗因德利希公式描述。

捷姆金吸附等温式只适用于化学吸附：V/Vm=1/a·㏑CoP。

式中V是平衡压力为p 时的吸附体积；Vm是单层饱和吸附体积；a和c0是常数。

④有选择性。

⑤对温度和压力具有不可逆性。

另外，化学吸附还常常需要活化能。

确定一种吸附是否是化学吸附，主要根据吸附热和不可逆性。

吸附机理可分3种情况：①气体分子失去电子成为正离子，固体得到电子，结果是正离子被吸附在带负电的固体表面上。

第一章催化剂：不能改变化学平衡；可通过改变反应历程而加快特定反应的速率；具有选择性均相催化：反应物和催化剂处于同一相态中的反应。

多相催化：反应物和催化剂处于不同相态中的反应。

主催化剂：又称活性组分，是多组元催化剂中的主体，必须具备的组分。

助催化剂：加到催化剂中的少量物质，本身没有活性或活性很小，但能显著改善催化剂性能，包括催化剂活性、选择性及稳定性等。

有结构型、调变型、扩散型、毒化型助催化剂。

载体：催化剂中主催化剂和助催化剂的分散剂、粘合剂和支撑体。

有分散作用、稳定化作用、支撑作用、传热和稀释作用、助催化作用等。

分散度：指催化剂表面上暴露出的活性组分原子数占该组分在催化剂中原子总数的比值。

催化剂活性表示方法：速率；TOF；速率常数；转化率速率：单位质量（或体积或表面积）催化剂上反应物的转化量（或产物的生成量）TOF：转化频率，单位时间内每个催化活性中心上发生反应的次数。

速率常数：反应速度和反应物浓度的函数关系r=k×f（c），比较反应速率常数k以比较催化剂活性。

转化率：C A%=（反应物A转化掉的量/流经催化床层进料中反应物A的总量）×100%选择性：S%=（目的产物的产率/转化率）×100%（目的产物的产率指反应物消耗于生成目的产物的量与反应物进料总量的百分比）。

产率=选择性×转化率多相催化反应步骤：外扩散、内扩散；吸附、表面反应、脱附；内扩散、外扩散内外扩散消除方法：外扩散的阻力来自气、固（或液、固）边界的静止层，流体的线速（空速）将直接影响静止层厚度。

内扩散阻力来自催化剂颗粒孔隙内径和长度，所以催化剂颗粒大小及颗粒孔径大小将直接影响分子内扩散过程。

催化循环：在多相催化反应中，催化循环表现为：一个反应物分子化学吸附在催化剂表面活性中心上，形成活性中间物种，并发生化学反应或重排生成化学吸附态的产物，再经脱附得到产物，催化剂复原并进行再一次反应。

速率控制步骤：催化反应的总速度取决于阻力最大（或固有反应速度最小）的步骤。