化工工业催化导论4金属氧化物硫化物催化剂及其催化作用

第4章3过渡金属氧化物催化剂及其催化作用过渡金属氧(硫)化物催化剂是一类广泛应用于化学反应中的催化剂。

它们由过渡金属和氧(硫)等原子组成，具有独特的结构和催化性能。

在本文中，我们将重点介绍过渡金属氧(硫)化物催化剂的种类、结构和催化作用，以及其在化学合成和能源转化等领域的应用。

过渡金属氧(硫)化物催化剂主要有负载型和非负载型两种形式。

负载型催化剂是将过渡金属氧(硫)化物负载在二氧化硅、活性炭等载体上，以增加其表面积和催化活性。

非负载型催化剂则是纯粹由过渡金属氧(硫)化物构成的颗粒或薄膜，具有较高的比表面积和催化活性。

这两种形式的催化剂在不同的反应中具有不同的催化机理和催化性能。

过渡金属氧(硫)化物催化剂的结构是其催化性能的关键因素。

大多数过渡金属氧(硫)化物催化剂具有复杂的晶体结构，如层状结构、中空球状结构等。

这些结构可以提供丰富的活性位点，并且具有调节反应中间体吸附和反应通道的能力。

此外，过渡金属氧(硫)化物催化剂还可以通过改变晶体结构或添加协同剂来调节其催化性能，提高催化活性和选择性。

过渡金属氧(硫)化物催化剂在化学反应中具有广泛的应用。

例如，通过调节过渡金属氧(硫)化物催化剂的结构和成分，可以实现氧化反应、氢化反应、催化裂解等各种化学转化。

特别是在有机合成中，过渡金属氧(硫)化物催化剂可以催化氧化还原反应、催化偶联反应、催化环化反应等，为合成高附加值化合物提供了重要的技术手段。

另外，过渡金属氧(硫)化物催化剂还可以催化电化学反应、光化学反应等非常规化学反应，为能源转化和环境保护等领域提供了新的解决方案。

总之，过渡金属氧(硫)化物催化剂是一类重要的催化剂，在化学合成和能源转化等领域具有广泛的应用。

通过调节其结构和成分，可以实现多种化学反应的高效催化。

随着新材料合成和催化机理的深入研究，过渡金属氧(硫)化物催化剂的催化性能有望进一步提高，为社会经济的可持续发展作出更大的贡献。

第四章金属催化剂及其催化作用4.1 金属催化剂的应用及其特性4.1.1 金属催化剂概述及应用金属催化剂是一类重要的工业催化剂。

主要包括块状催化剂，如电解银催化剂、融铁催化剂、铂网催化剂等；分散或者负载型的金属催化剂，如Pt-Re/-Al2O3重整催化剂，Ni/Al2O3加氢催化剂等；4.1.2 金属催化剂的特性几乎所有的金属催化剂都是过渡金属，这与金属的结构、表面化学键有关。

过渡金属能级中都含有未成对电子，在物理性质中表现出具有强的顺磁性或铁磁性，在化学吸附过程中，这些d电子可与被吸附物中的s电子或p电子配对，发生化学吸附，生成表面中间物种，从而使吸附分子活化。

金属适合于作哪种类型的催化剂，要看其对反应物的相容性。

发生催化反应时，催化剂与反应物要相互作用。

除表面外，不深入到体内，此即相容性。

如过渡金属是很好的加氢、脱氢催化剂，因为H2很容易在其表面吸附，反应不进行到表层以下。

但只有“贵金属”（Pd、Pt，也有Ag）可作氧化反应催化剂，因为它们在相应温度下能抗拒氧化。

故对金属催化剂的深入认识，要了解其吸附性能和化学键特性。

4.2 金属催化剂的化学吸附4.2.1 金属的电子组态与气体吸附能力间的关系不同的金属催化剂的化学吸附能力取决于各种因素，包括金属化学性质、气体化学性质、金属结构、吸附条件等等，见表4－3。

1 具有未结合d电子的金属催化剂容易产生化学吸附2 电子云重叠少，吸附弱；电子云重叠多，吸附强。

3 气体的化学性质越活泼，化学吸附越容易。

4 吸附条件也有一定影响。

低温有利于物理吸附，高温有利于化学吸附（但不能太高，否则TPD怎么做？）。

压力增加对物理吸附和化学吸附都有利。

4.2.2 金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系金属催化剂催化活化的过程可以看成是化学吸附的过程，化学吸附的状态与金属催化剂的逸出功及反应物气体的电离势有关。

1 电子逸出功：将电子从金属催化剂中移到外界所需的最小功，或电子脱离金属表面所需的最低能量。

第四章金属催化剂及其催化作用1、金属催化剂的应用及其特性1）金属催化剂的应用金属催化剂：指催化剂的活性组分是纯金属或者合金纯金属催化剂：指活性组分只由一种金属原子组成，这种催化剂可单独使用，也可负载在载体上合金催化剂：指活性组分由两种或两种以上金属原子组成2）金属催化剂的特性常用的金属催化剂的元素是d区元素，即过渡元素（ⅠB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ族元素）金属催化剂可提供的各种各样的高密度吸附反应中心2、金属催化剂的化学吸附1）金属的电子组态与气体吸附能力间的关系（1）金属催化剂化学吸附能力取决于金属和气体分子的化学性质，结构及吸附条件（2）具有未结合d电子的金属催化剂容易产生化学吸附（3）价键理论：不同过渡金属元素的未结合d电子数不同，他们产生化学吸附的能力不同，其催化性能也不同（4）配位场理论：金属表面原子核体相原子不同，裸露的表面原子与周围配位的原子数比体相中少，表面原子处于配位价键不饱和状态，他可以利用配位不饱和的杂化轨道与被吸附分子产生化学吸附。

（5）吸附条件对进水催化剂的吸附的影响：低温有利于物理吸附，高温有利于化学吸附高压有利于物理吸附，也有利于化学吸附2）金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系（1）金属催化剂的电子逸出功（脱出功）定义：将电子从金属催化剂汇中移到外界（通常是真空环境中）所需做的最小功，或者说电子脱离金属表面所需要的最低能量符号：Φ，在金属能带图中表现为最高空能级与能带中最高填充电子能级的能量差意义：其大小代表金属失去电子的难易程度或说电子脱离金属表面的难易（2）反应物分子的电离势定义：指反应物分子将电子从反应物中移到外界所需的最小功，用I表示。

意义：其大小代表反应物分子失去电子的难易程度。

电离能：激发时所需的最小能量（3）化学吸附键和吸附状态①当Φ>I时，电子将从反应物分子向金属催化剂表面专业，反应物分子变成吸附在金属催化剂表面上的正离子。

反应物分子与催化剂活性中心吸附形成离子键，它的强弱程度决定于Φ与I的相对值，两者相差越大，离子键越强。

金属氧化物催化剂及其催化作用金属氧化物催化剂通常为复合氧化物（complex oxides),即多组分的氧化物。

如V O -MoO , TiO -V 2O 5-P 2O 5,V 2O 5-MoO 3-Al 2O 3。

组分中至少有一个组分是过渡金属氧化物。

组分与组分之间可能相互作用，作用的情况因条件而异。

复合氧化物系通常是多相共存，如MoO 3-Al 2O 3，就有α-、β-、复杂，有固溶体、有杂多酸、有混晶等。

就催化作用与功能来说，有的组分是主催化剂，有的组分为助催化剂或者是载体。

金属氧化物催化作用机制-1z半导体的能带结构z催化中重要的是非化学计量的半导体，有n型和p型两大类。

非计量的化合物ZnO是典型的n型半导体（存在自由电子而产生导电行为）。

NiO是典型的p型半导体，由于缺正离子造成非计量性，形成氧离子空穴，温度升高时，此空穴变成自由空穴，可在固体表面迁移，成为NiO导电的来源。

z Fermi能级E f是表征半导体性质的一个重要物理量，可以衡量固体中电子逸出的难易，它与电子的逸出功∅直接相关。

∅是将一个电子从固体内部拉到外部变成自由电子所需的能量，此能量用以克服电子的平均位能，Fermi能级E就是这种平均位能。

fz对于给定的晶格结构，Fermi能级E f的位置对于其催化活性具有重O分解催化反应。

要意义。

如Nxz XPS研究固体催化剂中元素能级变化金属氧化物催化作用机制-2z氧化物表面的M=O键性质与催化活性的关联z晶格氧（O=）的催化作用：对于金属氧化物催化剂表面发生氧化反应时，作为氧化剂的氧存在吸附氧与晶格氧两种形态。

晶格氧由于氧化物结构产生。

选择性氧化（Selective Oxidation)是固体氧化物催化剂应用主要方向之一。

在选择性氧化中，存在典型的还原-氧化催化循环（Redox mechanism)）。

这里晶格氧直接参与了选择性氧化反应。

z根据众多的复合氧化物催化氧化可以概括出：1 选择性氧化涉及有效的晶格氧；2 无选择性完全氧化反应，吸附氧和晶格氧都参加了反应；3 对于有两种不同阳离子参与的复合氧化物催化剂，一种阳离子M+承担对烃分子的活化与氧化功能，它们再氧化靠晶格氧O=；另一种金属氧化物阳离子处于还原态，承担接受气相氧。

《工业催化》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：工业催化课程英文名称：Industrial Catalysis课程编号：06141191课程类型：专业（方向）课总学时：36学分：2.0适用专业：化学工程与工艺（无机化工）专业先修课程：基础化学、有机化学、物理化学、化工原理开课院系：化工与制药学院二、课程的性质与任务本课程论述催化作用的基本原理，工业催化剂的基本要求，热力学平衡原理对催化作用的制约，介绍各类催化剂及其催化作用，并介绍催化剂的组成、制备原理和方法，催化实验用的反应器和检测仪器、手段等。

让学生掌握催化作用的基本规律，了解催化过程的化学本质和熟悉工业催化技术的基本要求和特性，为培养化工工艺类专业工程师提供坚实的理论基础服务。

三、课程教学基本要求通过本课程的学习，让学生掌握催化作用的基本规律和基本原理，工业催化剂的基本要求，理解热力学平衡原理对催化作用的制约。

掌握各类催化剂及其催化作用，包括固体酸碱催体、分子筛催化、金属催化、络合催化、金属氧化物和金属硫化物催化等，并了解催化剂的组成、制备原理和方法，催化实验用的反应器和检测仪器、手段等。

熟悉工业催化技术的基本要求和特性，为培养化工工艺类专业工程师提供坚实的理论基础服务。

四、理论教学内容和基本要求第一章催化作用与催化剂第一节催化作用的定义与特征；第二节催化剂的组成与功能；第三节对工业催化剂的要求；第四节均相催化与均相催化简介第二章吸附作用与多相催化：第一节多相催化的反应步骤；第二节吸附等温线；第三节金属表面上的化学吸附；第四节氧化物表面上的化学吸附第三章各类催化剂及其催化作用：第一节酸碱催化剂及其催化作用；第二节分子筛催化剂及其催化作用；第三节金属催化剂及其催化作用；第四节金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用；第五节络合催化剂及其催化作用第四章工业催化剂的制备与使用：第一节工业催化剂的制备；第二节工业催化剂的使用第五章工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征：第一节催化剂活性测试的基本概念；第二节催化剂活性的测定；第三节催化剂的宏观物性及其测定五、有关教学环节的要求教学以课堂教学、老师讲授为主，开展启发式教学，鼓励学生提出问题，展开讨论，最后进行归纳总结。

化工工业催化导论4金属催化剂及其催化剂作用金属催化剂是指在催化反应中，以金属元素或金属离子形式存在的催化剂。

金属催化剂对于化工工业起着极其重要的作用，许多化工工业过程都需要金属催化剂来促进反应的进行。

本文将主要介绍金属催化剂的种类以及它们在催化反应中的作用。

金属催化剂根据其组成和性质可以分为单金属催化剂和多金属催化剂。

单金属催化剂是指催化剂中只含有一种金属元素，例如铂、钯、铑等。

多金属催化剂则是指催化剂中含有两种以上的金属元素，例如铂-铑组合、钯-铑组合等。

不同种类的金属催化剂在催化反应中有不同的作用。

金属催化剂在催化反应中的作用可以归纳为三个方面：活化反应物、提供催化反应中的中间物和降低反应活化能。

首先，金属催化剂能够活化反应物，使其易于被催化反应进行。

金属催化剂通常具有良好的吸附性质，在吸附反应物分子的过程中，可以改变反应物的键的性质，使其易于发生反应。

例如，铂催化剂对氢气的吸附能力非常强，能够将分子中的氢原子剥离出来，使其与其他反应物发生反应。

其次，金属催化剂还能提供催化反应中的中间物。

催化反应通常会经历多个步骤，中间物在这些步骤中起着关键的作用。

金属催化剂可以提供活性位点，以吸附和催化反应物分子中的原子，从而形成中间物。

例如，钯催化剂可以通过吸附氢气和反应物形成Pd-H键，进而形成中间物，促进催化反应的进行。

最后，金属催化剂能够降低反应的活化能。

催化反应需要克服一个能垒才能进行，而金属催化剂则能降低这个能垒，使反应更容易进行。

金属催化剂通过改变反应物的电子结构、提供反应活性位点等方式，降低了反应的活化能。

因此，催化反应在金属催化剂的存在下能够更容易地发生。

综上所述，金属催化剂在化工工业中起着重要的作用。

它们可以活化反应物，提供催化反应中的中间物，以及降低反应的活化能。

通过这些作用，金属催化剂能够促进化学反应的进行，提高反应的速率和选择性。

因此，金属催化剂在许多化工工业过程中得到了广泛的应用，例如石油加工、有机合成、环境保护等领域。

第五章_金属氧化物和金属硫化物催化剂及其催化作用2第五章_金属氧化物和金属硫化物催化剂及其催化作用2金属氧化物催化剂是由金属元素和氧元素组成的化合物。

常见的金属氧化物催化剂有二氧化钛、氧化铁、氧化铝等。

这些催化剂具有良好的化学稳定性和热稳定性，能够在高温条件下保持催化活性。

此外，金属氧化物催化剂具有较高的表面积和孔隙度，有利于催化反应物的吸附和扩散。

金属氧化物催化剂广泛应用于有机合成、氧化反应、脱硫反应等领域。

金属硫化物催化剂是由金属元素和硫元素组成的化合物。

常见的金属硫化物催化剂有硫化钼、硫化铜、硫化铁等。

这些催化剂具有较高的催化活性和选择性，能够在相对温和的条件下促进各种催化反应。

金属硫化物催化剂具有较高的电导率和导电性，能够促进电子转移和催化反应的进行。

金属硫化物催化剂广泛应用于石油加工、氨合成、脱硫反应等领域。

金属氧化物和金属硫化物催化剂的催化作用主要包括以下几个方面：1.氧化反应：金属氧化物催化剂能够促进物质的氧化反应，如氧化还原反应、羰基化反应等。

以二氧化钛为例，它可以催化苯酚的氧化反应，将苯酚氧化为苯醌。

此外，金属硫化物催化剂也能够催化氧化反应，如硫化钼催化剂能够催化苯胺的氧化反应，将苯胺氧化为苯酚。

2.脱硫反应：金属氧化物和金属硫化物催化剂能够催化硫化物的脱硫反应，将硫化物转化为无毒的化合物。

以硫化钼为例，它可以催化硫化氢的脱硫反应，将硫化氢转化为水和硫。

3.氢化反应：金属氧化物和金属硫化物催化剂能够催化物质的氢化反应，如氢化加成反应、氢解反应等。

以氧化铝为例，它可以催化苯酚的氢化反应，将苯酚氢化为环己醇。

此外，金属硫化物催化剂也能够催化氢化反应，如硫化铁催化剂能够催化乙烯的氢化反应，将乙烯氢化为乙烷。

4.烷基化反应：金属氧化物和金属硫化物催化剂还能催化烷基化反应，将有机化合物中的烯烃或芳香化合物转化为烷烃。

以氧化铁为例，它可以催化芳烃的烷基化反应，将芳烃转化为相应的烷烃。

总之，金属氧化物和金属硫化物催化剂具有广泛的应用前景。