第10章 工业催化剂设计
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工业催化剂的设计
5.金属-载体相互作用
l 金属的可还原性取决于所用的载体。 Fe3+(Fe2+)离子负载于SiO2或活性炭上，极易 还原为金属；负载于Al2O3上用氢只能还原为 Fe2+态。
l 金属粒子的大小、形态、分布随载体变化很 大。与金属对载体是否有润湿性很有关，载体 的孔结构、表面结构、金属在表面的流动性将 影响金属粒子大小和形貌。
原位红外技术：确定表面活性部位、 动态吸附过程。酸中心、碱中心，酸类 型（Brönsted acid, Lewis acid），酸强 度及分布，酸量。
4.深入了解催化剂表面活性中心和体相的性质
金属催化剂： 利用探针分子CO, H2等化学吸附观察金 属的分散状态。与TPD结合，给出活性中 心数目、能量上的差别、金属在载体上 的分散状态。
SELECTIONS OF PRIMARY COMPONENTS ON CHEMICAL GROUNDS: (A) ACTIVITY PATTERNS (B) HEATS OF ADSORPTION (C) DESIRED CHEMISORPTION COMPLEXES
(D) GEOMETRIC CONSIDERATION (E) CRYSTAL FIELD THEOTY
O2= (ads) > O= (ads.) > O-(ads) > O2-(ads) > O=(lattice) ⇐ 强 （氧化能力） 弱 ⇒
亲核
亲核
亲电
亲电
深度氧化
部分氧化
乙烯环氧化: Ag —— O2-(ads)，环氧乙烷； 其他金属—— O= (ads.) ，O-(ads)；CO2+H2O
CO分子：在过渡金属Rh, Pd, Pt上形成 s-p键 合M=C=O活化。Mo, W, Fe 上解离吸附活化。
工业催化剂的制造方法课件
测定催化剂的能带结构和光学性质，了解催化剂 的光学性能和电子结构。
核磁共振谱（NMR）
测定催化剂分子结构和化学环境，了解催化剂的 分子结构和化学键合情况。
CHAPTER
04
工业催化剂的应用实例
汽车尾气处理催化剂
尾气处理催化剂主要用于减少汽车尾气中的有 害物质，如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物 等。
尾气处理催化剂通常由贵金属（如铂、钯、铑 ）或其氧化物制成，以降低有害物质的排放。
尾气处理催化剂的制造方法包括溶胶-凝胶法、 沉淀法、化学气相沉积法等，这些方法能够确 保催化剂的活性、稳定性和耐久性。
石油工业中的裂化催化剂
01
裂化催化剂在石油工业中用于将重质油裂化为轻质油，如汽油 和柴油。
02
裂化催化剂通常由酸性组分（如硅酸铝、沸石）和活性组分（
如铂、钯、镍）组成。
裂化催化剂的制造方法包括混合法、浸渍法、热熔融法等，这
03
些方法能够确保催化剂具有较高的活性和选择性。
合成氨工业中的铁基催化剂
铁基催化剂是合成氨工业中常用的催化剂，用于将氮和氢转化为氨。
铁基催化剂通常由铁氧化物、铁硫化物或铁盐制成，以降低合成氨的反应 温度和压力。
铁基催化剂的制造方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、热解法等，这些方法 能够确保催化剂具有较高的活性和选择性，同时降低生产成本。
工业催化剂的发展历程
总结词
工业催化剂的发展经历了漫长的历程， 从最早的天然催化剂到现代的高效催化 剂，其发展与工业生产和科技进步密切 相关。
VS
详细描述
早期的天然催化剂如木炭、石头等被用于 酿酒、制醋等简单的化学反应。随着化学 工业的发展，人们开始研制具有更高活性 和选择性的工业催化剂，如铂、钯等金属 催化剂和硅酸铝、分子筛等非金属催化剂 。现代工业催化剂的应用领域更加广泛， 涉及石油化工、制药、环保等多个领域。
核磁共振谱（NMR）
测定催化剂分子结构和化学环境，了解催化剂的 分子结构和化学键合情况。
CHAPTER
04
工业催化剂的应用实例
汽车尾气处理催化剂
尾气处理催化剂主要用于减少汽车尾气中的有 害物质，如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物 等。
尾气处理催化剂通常由贵金属（如铂、钯、铑 ）或其氧化物制成，以降低有害物质的排放。
尾气处理催化剂的制造方法包括溶胶-凝胶法、 沉淀法、化学气相沉积法等，这些方法能够确 保催化剂的活性、稳定性和耐久性。
石油工业中的裂化催化剂
01
裂化催化剂在石油工业中用于将重质油裂化为轻质油，如汽油 和柴油。
02
裂化催化剂通常由酸性组分（如硅酸铝、沸石）和活性组分（
如铂、钯、镍）组成。
裂化催化剂的制造方法包括混合法、浸渍法、热熔融法等，这
03
些方法能够确保催化剂具有较高的活性和选择性。
合成氨工业中的铁基催化剂
铁基催化剂是合成氨工业中常用的催化剂，用于将氮和氢转化为氨。
铁基催化剂通常由铁氧化物、铁硫化物或铁盐制成，以降低合成氨的反应 温度和压力。
铁基催化剂的制造方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、热解法等，这些方法 能够确保催化剂具有较高的活性和选择性，同时降低生产成本。
工业催化剂的发展历程
总结词
工业催化剂的发展经历了漫长的历程， 从最早的天然催化剂到现代的高效催化 剂，其发展与工业生产和科技进步密切 相关。
VS
详细描述
早期的天然催化剂如木炭、石头等被用于 酿酒、制醋等简单的化学反应。随着化学 工业的发展，人们开始研制具有更高活性 和选择性的工业催化剂，如铂、钯等金属 催化剂和硅酸铝、分子筛等非金属催化剂 。现代工业催化剂的应用领域更加广泛， 涉及石油化工、制药、环保等多个领域。
第十章 工业催化剂的设计.ppt
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 10.2.催化剂设计的 一般程序
1.程序框图
Dowden 建议的催 化刑设计 程序框图
2.设计范例
例： 甲烷部分氧化制甲醛(一步法)多相催化剂
设计程序
(一) 靶反应(目的反应)
CH4＋O2＝CH2O＋H2O △H○r (298K) ＝－321.3kJ/mol △G○r(298K)＝－296.6kJ/mol 反应为放热，热力学可行，甚至高温下也有 较大的转化率
氧的插入活性也是一种弱的氧化活性，参 照样本：Sc3+、Ti4+、V3+、Cr3+、Fe2+、Zn2+、 Zr3+、Nb3+、Mo6+。
如：CoAl2O4、NiAl2O4、ZnTiO4等
(八) 推荐的催化剂
根据上述分析，设计者推荐用于制备筛选 的活性样本为： 弱脱氢活性样本：Fe3+、V3+、V5+及Ti4+ 氧插入活性样本：Sc3＋、Ti 4＋、V 3＋、Fe 2＋、 Zn 2＋、Zr 3＋、Nb 3＋、Mo 6＋ 最后推荐的候选催化剂材料： 单氧化物： TiO2、V2O3 混合氧化物： TiO2+MoO3、ZnO+V2O3 复氧化物： Fe3O4、ZnTiO3、钼酸铁
10.3.计算机辅助催化剂设计简介
数据库
NIST化学动力学数据库 CATDB催化剂设计数据库 专家系统
ESMDC专家系统 人工神经元网络技术
(二) 热力学分析
(三) 分子反应机理
可能的分子反应机理
(四) 表面反应机理分析
甲醛生成的表面反应机理
(五) 反应通道的鉴别
由表面反应机理假说出发，所需的反应 通道已可确立。按所需的反应通道完成靶反 应，则可知所设计的催化剂，必须是有助于 氧的插入，并且有弱的脱氢功能，但同时具 有抑制强的氧化以及脱氢的功能。
工业催化教学设计
工业催化教学设计一、课程简介本课程旨在通过理论讲解和实验操作，使学生理解催化反应的基本原理和工业应用，掌握催化剂种类、选择和性质的基本知识，了解反应过程和反应机理，并提高学生的实验操作能力和安全意识。
二、教学目标1.了解催化反应的基本概念及应用；2.掌握催化剂的种类、选择和性质；3.了解反应过程和反应机理；4.提高学生的实验操作能力和安全意识。
三、教学内容1.催化反应的基本原理1.1 催化反应的定义1.2 催化反应与热力学1.3 催化作用机理1.4 催化反应动力学1.5 催化反应器的种类和应用2. 催化剂种类、选择和性质2.1 催化剂种类和性质2.2 催化剂的选择原则2.3 催化剂的制备方法和性能测试3. 反应过程和反应机理3.1 催化剂在反应中的作用3.2 反应机理和反应过程的分析3.3 催化反应的热效应和热平衡4. 实验操作4.1 催化剂的合成和制备4.2 催化剂性能测试4.3 催化反应的操作和优化4.4 反应产物的分离和纯化四、教学方法本课程以理论授课、实验操作和课堂讨论为主要教学方法，每周安排1-2次实验课，教师将根据学生实际情况设置相关课程内容，采用多种教学方法组合，如讲解、演示、讨论、练习等组合来完成教学过程。
五、考核方式1.课堂出勤：20%2.作业和报告：30%3.实验操作：50%六、教材建议1.商彦飞. 催化反应工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社,2016.2.Alyn G. McDaniel, Ingo Eilks. The Role of theLaboratory in Chemistry Teaching[M]. Switzerland:Springer, 2016.3.裘方明. 催化基础与应用[M]. 北京: 化学工业出版社,2007.4.韦永凡. 催化原理与工程应用[M]. 北京: 化学工业出版社,2007.七、参考文献1.Ertl G, K. W. Parameters and descriptive languagefor heterogeneous catalysis. Science[J]. 2008: 1255-1257.2.Courtheyn D, T. V. Physical and chemical aspects ofcatalysis[J]. 2007: 369-374.3.Studt F, Abild-Pedersen F, Bligaard T, etal. Identification of non-precious metal catalyticmaterials for selective hydrogenation of acetylene[J].Science[J]. 2008: 320-325.4.Nawrocki J, Pettersen L, Westbye M, et al. Fuelcells for home power supply: A thirty year record of the development of fuel cell technology at IFE[J].Proceedings of the 14th International Conference on New Developments in Ferroelectric Materials, 2007.八、教学进度课时内容讲解方式第1-2课催化反应的基本原理讲解第3-5课催化剂种类、选择和性质讲解第6-8课反应过程和反应机理讲解第9-16课实验操作实验操作、讨论第17-18课总结与评估讨论九、教学反馈本课程既注重教学理论的传授，更注重教学实践的操作，我们将提供完善的实验设备和环境，以期达到教学目的，最终实现优质化催化教育的目标。
工业催化PPT教学课件
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
• 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先 生建成上海天利氮气厂生产出液氨， 吴先生还创办了天厨味精厂（1923）、 天原电化厂（1929）和天盛陶器厂 （1934），以及范旭东在天津创办的 永利碱厂，这些化工原料的生产推动 了我国化学工业的发展
• 合成氨工业的巨大成功推动了化学工 业迅速发展，也带动了一系列化学工 程基础理论工作，如化工热力学、化 学工艺学、工业催化等。氨合成催化 剂的研究与改进已经尝试10万多个配 方，至今仍是催化界研究的方向
本课程基本内容催化材料催化材料aaddbbccee催化剂制备与表征技术各类催化剂及其催化作用工业催化剂发展简史催化作用基本原理催化反应催化反应动力学动力学能源环境催化催化新材料催化新技术第一章绪论第二章催化作用与催化剂第三章吸附作用与多相催化第四章各类催化剂及其催化作用第五章环境保护催化与环境友好催化第六章未来能源和燃料工业用催化技术第七章新材料合成用催化技术和具有突异催化性能的新材料第八章生物催化技术第九章工业催化剂的制备与使用第十章工业催化剂的设计第十一章工业催化剂的评价与宏观物性的测试第十二章催化剂表征的现代物理方法简介本课程基本内容教材
.
4
第一章 绪论
课程的主要任务 工业催化的发展简史 催化发展新领域 当前催化科学研究的重要方向
.
5
绪论
• 本课程的主要任务
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征，并能够 将新型催化剂开发原理运用到资源的化工利用、化学 制药、环境保护、生物工程技术、新材料和新能源等
②筛选出具有工业价值的熔铁催化剂。Karlsruhe大学当时宣布的催 化剂为锇（Os）和铀（U），既昂贵又不好操作。Haber的同事Mittasch经 过2500多种配方、6500多个实验筛选出高活性、高稳定性和长寿命的合成 氨熔铁催化剂（主要为Fe-Al-K多组元成分）。
工业催化剂的设计
2019/12/15
5
催化劑主要組分的設計
1. 根據有關催化理論的參數進行考慮 (2) 半導體費米能級和脫出功
n型半導體是電子導電。H2、CO等還原性氣體，在 吸附時它們把電子給與氧化物，所以在n型半導體上 容易吸附。如ZnO、TiO2、MoO3、Fe2O3等。
p型半導體是帶正電荷的空穴導電。O2在p型半導體 上容易吸附，因為需要從氧化物中得到電子，使O2變 為O-，p型半導體的金屬離子易脫出電子而生成O-。 如Cu2O、NiO、CoO等。
解離吸附（以O-和O2-形式參與表面過程）。 乙烯在Ag催化劑上的環氧化反應：
產生的原子氧催化副反應： C2H4 6O 2CO 2 2H 2O 6C 2H4 6O 2 6C 2H4O 6O
所以環氧乙烷的收率為6/7，86%左右；CO2收率為1/7，14% 左右。
2019/12/15
對化學吸附而言，催化反應要求吸附不能太強，也不 能太弱。
金屬的d特性百分數與其催化活性有一定關係。在金屬 加氫催化劑中，d特性百分數在40%-50%之間為佳。如乙 烯在各種金屬薄膜上的催化加氫，隨d特性百分數增加， 加氫活性也增加，Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
2019/12/15
工業催化劑的設計
成英之
催化劑設計的總體考慮
催化劑設計：根據合理的程式和方法有效地利用未 系統化的法則、知識和經驗，在時間上和經濟上最 有效的開發和製備新催化劑的方法； 1）要進行熱力學分析，指明反應的可行性，最大平 衡產率和所要求的最佳反應條件，催化劑的經濟性 和催化反應的經濟性，環境保護等； 2）分析催化劑設計參數的四要素：活性、選擇性、 穩定性/壽命、再生性。 3）催化反應過程與催化劑化學性質有關；而傳質傳 熱則與物理性質有關，要兼而顧之。
催化剂的设计与制备
2－1 活性组分的选择 1. 一般规律 2．空间因素 3. 电子因素
① 周期表s--组元素(氧化物): 用于酸碱型催化反应中的 碱催化剂； • d 和 f--组元素: 用于氧化还原型催化反应中的催化剂； • p--组元素：用于酸碱型催化反应中的酸性催化剂； 氧化物也具有氧化－还原型催化剂的功能。
(2) 电子型助催化剂
与结构型助催化剂不同,是改变活性相的本性。 • 改变化学吸附强度 • 改变反应的活化能 如： 合金催化剂,助剂的存在影响主剂在催化剂表面的富集. 金属簇催化剂,加入一定量的助剂,可在表面形成金属 族催化剂,不同的助剂能形成不同的金属簇,从而影响 催化活性.
2、助催化剂的选择
②反应物活化的机理
• H2的活化
– 均裂 – 异裂
• O2的活化 • CO的活化 • 饱和烃的活化 • 不饱和烃的活化
③半导体的费米能级和脱出功 可用来判断电子得失的难易程度，进而了解适 合于何种反应。
对于N2O的分解反应，N2O在P－型半导体上分解
时使电导率上升；N2O在n－型半导体上分解时使
④
助催化和共催化作用
• 载体与活性组分发生复杂的作用，从而对催 化剂的活性、选择性、抗毒性产生变化。
氧化物载体对氧化物的活性组分产生诱导； 金属与氧化物载体产生金属－半导体界面； 载体的酸、碱性对活性组分的影响，以及它们的酸、 碱催化作用； 还应考虑催化反应的结构敏感与否。
常用的载体分类
低表面积载体 多孔性 (粗孔型) 硅藻土、 耐火砖、 浮石、Al2O3的聚 集体、多 孔金属等 非孔隙性 (高分散度) 无机涂料 (Fe2O3、 TiO2、ZnO 等) 高表面积载体 多孔性(细孔型)，孔容>0.2厘米 /克 经过处理的 无机的骨架 天然产物 产品 合成凝胶 有机产品
第10章工业催化剂制备和使用
⑤导晶沉淀法 导晶沉淀法借助晶化导向剂（晶种）引导非晶形沉淀转化
为晶形沉淀的快速而有效的方法。最近普遍用来制备以廉价 的水玻璃为原料的高硅钠型分子筛，包括丝光沸石、Y型、X 型合成分子筛。
2019年12月4日2时59分
24
10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （8）沉淀法的分类
⑥水热合成法 在常温常压下水溶液的沉淀理论，形成沉淀粒子的因素是
2019年12月4日2时59分
22
10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法
超均匀沉淀法制备硅酸镍催化剂。 先将硅酸钠溶液放入混合器，再将 20%的硝酸钠溶液慢慢倒至硅酸钠溶 液之上，最后将含硝酸镍和硝酸的溶 液慢慢倒于前两个溶液之上。立即开 动搅拌机使其成为超饱和溶液。放置 数分钟至几小时，便能形成超均匀的 水凝胶式胶冻。用分离方法将水凝胶 自母液分出或将胶冻破碎成小块，经 水洗、干燥和焙烧即得所需催化剂。 这样得到的催化剂其结构与由氢氧化 镍和水合硅胶机械混合制得的催化剂 是不同的。
2019年12月4日2时59分
14
10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （5）pH值 沉淀法常用碱性物质作沉淀剂，沉淀物的生成在
相当大的程度上受pH值的影响。
Al3+ + OH-
pH＜7 Al2O3·mH2O 无定形胶体 pH＝9 α-Al2O3·H2O 针状胶体 pH＞10β-Al2O3·nH2O 球状结晶
2019年12月4日2时59分
20
10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （8）沉淀法的分类 ③均匀沉淀法和超均匀沉淀法
均匀沉淀法是在沉淀的溶液中加入某种试剂，此 试剂可在溶液中以均匀的速率产生沉淀剂的离子或 者改变溶液的pH值，从而得到均匀的沉淀物。如在 铝盐中加入尿素，加热到363-373K，溶液中有如下 反应，并生成均匀的Al(OH)3沉淀：
为晶形沉淀的快速而有效的方法。最近普遍用来制备以廉价 的水玻璃为原料的高硅钠型分子筛，包括丝光沸石、Y型、X 型合成分子筛。
2019年12月4日2时59分
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10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （8）沉淀法的分类
⑥水热合成法 在常温常压下水溶液的沉淀理论，形成沉淀粒子的因素是
2019年12月4日2时59分
22
10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法
超均匀沉淀法制备硅酸镍催化剂。 先将硅酸钠溶液放入混合器，再将 20%的硝酸钠溶液慢慢倒至硅酸钠溶 液之上，最后将含硝酸镍和硝酸的溶 液慢慢倒于前两个溶液之上。立即开 动搅拌机使其成为超饱和溶液。放置 数分钟至几小时，便能形成超均匀的 水凝胶式胶冻。用分离方法将水凝胶 自母液分出或将胶冻破碎成小块，经 水洗、干燥和焙烧即得所需催化剂。 这样得到的催化剂其结构与由氢氧化 镍和水合硅胶机械混合制得的催化剂 是不同的。
2019年12月4日2时59分
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10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （5）pH值 沉淀法常用碱性物质作沉淀剂，沉淀物的生成在
相当大的程度上受pH值的影响。
Al3+ + OH-
pH＜7 Al2O3·mH2O 无定形胶体 pH＝9 α-Al2O3·H2O 针状胶体 pH＞10β-Al2O3·nH2O 球状结晶
2019年12月4日2时59分
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10-1 工业催化剂的制备
1. 沉淀法 （8）沉淀法的分类 ③均匀沉淀法和超均匀沉淀法
均匀沉淀法是在沉淀的溶液中加入某种试剂，此 试剂可在溶液中以均匀的速率产生沉淀剂的离子或 者改变溶液的pH值，从而得到均匀的沉淀物。如在 铝盐中加入尿素，加热到363-373K，溶液中有如下 反应，并生成均匀的Al(OH)3沉淀：
《工业催化剂设计及开发》课程教学大纲
《工业催化剂设计及开发》教学大纲
一、课程基本信息
课程名称
工业催化剂设计及开发
Design and Development of Industrial Catalysts
课程编码
CHM120621010
开课院部
化学工程学院
课程团队
工业催化剂设计与开发教学团队
学分
1.0
课内学时
16
讲授
16
实验
0
上机
0
实践
M1
2
讲授
2
自学/其他
11
3.4
3.4工业催化剂的放大效应
工业催化剂制备原料及制备工艺的选择；工业催化剂开发过程中的不同规模放大效应。
M1
1
讲授
1
自学/其他
12
第4章
第4章典型石油化工过程催化剂开发实例
本章重点难点：各类工艺过程反应原理、催化剂设计。
/
/
/
/
13
4.1
4.1烃类水蒸气转化制氢催化剂设计与开发过程
3
图书|《石油炼制工程》,徐春明，扬朝合,石油工业出版社, 2009, ISBN:978-7-5021-16986-2.
4
图书|《催化剂基础及应用》,季生福，张谦温，张彬侠,化学工业出版社, 2011, ISBN:978-7-122-11215-6.
30%
A-独立思考、按时完成，流程图画图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，流程图画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，流程题画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，流程题画图不规范，解题思路混乱。
一、课程基本信息
课程名称
工业催化剂设计及开发
Design and Development of Industrial Catalysts
课程编码
CHM120621010
开课院部
化学工程学院
课程团队
工业催化剂设计与开发教学团队
学分
1.0
课内学时
16
讲授
16
实验
0
上机
0
实践
M1
2
讲授
2
自学/其他
11
3.4
3.4工业催化剂的放大效应
工业催化剂制备原料及制备工艺的选择；工业催化剂开发过程中的不同规模放大效应。
M1
1
讲授
1
自学/其他
12
第4章
第4章典型石油化工过程催化剂开发实例
本章重点难点：各类工艺过程反应原理、催化剂设计。
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13
4.1
4.1烃类水蒸气转化制氢催化剂设计与开发过程
3
图书|《石油炼制工程》,徐春明，扬朝合,石油工业出版社, 2009, ISBN:978-7-5021-16986-2.
4
图书|《催化剂基础及应用》,季生福，张谦温，张彬侠,化学工业出版社, 2011, ISBN:978-7-122-11215-6.
30%
A-独立思考、按时完成，流程图画图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，流程图画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，流程题画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，流程题画图不规范，解题思路混乱。
工业催化催化剂课件
制造过程的考量
催化剂的制造过程应尽量简单、经济、环保，且应考虑到大规模生产的需求。设计的催化剂应易于制造 、安装和维护，同时应尽量减少对环境的影响。
催化剂制备的主要流程
配料制备
物理化学处理
性能测试与优化
配料制备是催化剂制备的第一 步，主要包括选择和制备催化 剂的活性成分，以及确定各成 分的比例。此外，还需考虑助 剂和载体的选择与制备。
在配料制备完成后，需要对催 化剂进行物理化学处理，包括 干燥、焙烧、还原等步骤，以 调整其物理化学性质，如比表 面积、孔结构等。
在制备完成后，需要对催化剂 进行性能测试，包括活性测试 、选择性测试等，以评估其对 于特定反应的性能。根据测试 结果，可以对催化剂进行进一 步优化或调整。
催化剂制备的优化方法
01
02
03
提高生产效率
通过使用催化剂，化学反 应可以在更短的时间内完 成，从而提高生产效率。
降低能耗
催化剂可以降低化学反应 的活化能，使得反应可以 在较低的温度和压力下进 行，从而降低能耗。
提高产品质量
通过使用催化剂，可以控 制化学反应的产物分布， 从而提高产品的质量和纯 度。
工业催化催化剂的历史与发展
纳米结构催化剂
研究纳米结构对催化剂性能的影响，开发出 具有高活性和高稳定性的纳米催化剂。
金属有机骨架（MOFs）催 化剂
利用MOFs材料的可调性和多孔性，制备出高效、 稳定的MOFs催化剂。
生物催化剂
利用生物资源，探索生物催化剂在工业催化 领域的应用潜力。
催化剂性能的提升
活性提升
01
通过优化催化剂的组成和结构，提高催化剂的活性和
02
CATALOGUE
工业催化催化剂的设计与制备
催化剂的制造过程应尽量简单、经济、环保，且应考虑到大规模生产的需求。设计的催化剂应易于制造 、安装和维护，同时应尽量减少对环境的影响。
催化剂制备的主要流程
配料制备
物理化学处理
性能测试与优化
配料制备是催化剂制备的第一 步，主要包括选择和制备催化 剂的活性成分，以及确定各成 分的比例。此外，还需考虑助 剂和载体的选择与制备。
在配料制备完成后，需要对催 化剂进行物理化学处理，包括 干燥、焙烧、还原等步骤，以 调整其物理化学性质，如比表 面积、孔结构等。
在制备完成后，需要对催化剂 进行性能测试，包括活性测试 、选择性测试等，以评估其对 于特定反应的性能。根据测试 结果，可以对催化剂进行进一 步优化或调整。
催化剂制备的优化方法
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提高生产效率
通过使用催化剂，化学反 应可以在更短的时间内完 成，从而提高生产效率。
降低能耗
催化剂可以降低化学反应 的活化能，使得反应可以 在较低的温度和压力下进 行，从而降低能耗。
提高产品质量
通过使用催化剂，可以控 制化学反应的产物分布， 从而提高产品的质量和纯 度。
工业催化催化剂的历史与发展
纳米结构催化剂
研究纳米结构对催化剂性能的影响，开发出 具有高活性和高稳定性的纳米催化剂。
金属有机骨架（MOFs）催 化剂
利用MOFs材料的可调性和多孔性，制备出高效、 稳定的MOFs催化剂。
生物催化剂
利用生物资源，探索生物催化剂在工业催化 领域的应用潜力。
催化剂性能的提升
活性提升
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通过优化催化剂的组成和结构，提高催化剂的活性和
02
CATALOGUE
工业催化催化剂的设计与制备
催化剂的设计
催化剂的设计催化剂是一种能够促进化学反应速率并降低反应活化能的物质。
在许多化学领域，催化剂的设计是关键的研究领域，因为它们可以提高反应效率、降低能源消耗，并且对于许多工业过程都具有重要意义。
本文将探讨催化剂的设计原则和应用。
I. 催化剂的基本原理催化剂的设计基于以下原理：1. 活性位点：催化剂通常具有活性位点，它们能够与反应物相互作用并改变反应物的能量状态，从而降低活化能。
活性位点的设计是催化剂设计的关键考虑因素之一。
2. 反应机理：催化剂可以通过提供合适的反应路径或中间体来促进反应。
催化剂的设计应该基于对反应机理的深入理解，并且能够提供最佳的反应路线。
3. 选择性：催化剂的设计还应考虑所需的产物选择性。
通过调整催化剂的结构和表面性质，可以控制反应的选择性，从而获得期望的产物。
II. 催化剂设计的策略催化剂的设计过程通常涉及以下几个策略：1. 活性位点的设计：活性位点是催化剂设计的核心。
通过调整催化剂表面结构和成分，可以增加活性位点的数量和可用性。
例如，通过引入金属或金属氧化物纳米颗粒，可以增加活性位点并提高催化活性。
2. 配体设计：在某些催化剂中，配体的选择对催化活性和选择性起着重要作用。
通过调整配体结构和性质，可以改变催化剂的电子性质、立体构型和催化活性。
例如，手性配体的引入可以选择性地促进不对称合成反应。
3. 复合催化剂：有时，由两种或更多种不同材料组成的复合催化剂可以发挥比单一组分更高的活性。
复合催化剂的设计可以通过合成多相催化剂或制备核壳结构的纳米颗粒来实现。
这种策略可以充分利用不同组分之间的协同效应。
III. 催化剂设计的应用催化剂的设计在各个领域都具有重要应用，包括化学合成、环境保护和能源转化等。
1. 化学合成：催化剂在化学合成中起着关键作用。
通过设计高效的催化剂，可以实现高选择性的合成反应，减少副反应和废物产生。
例如，以铂催化剂为例，它在有机合成中广泛应用于氢化、氧化和加氢反应等。
第10章 工业催化剂设计
组装尺度
毫米尺度 微米尺度 纳米尺度
重要的过渡金属d%值列于下表（表10-2）
不同金属加氢活性的顺序如下 Rh>Pd>Pt>Ni>Fe>W>Cr>Ta
加氢活性与d%的关系见下图（图10-10)
10.2.2.2 活性组分的负载 常用方法：理浸渍法、离子交换法、化学沉淀法等
根据具体反应类型的不同，可以选用活性非均匀分布
10.2.2.3 载体的作用及功能
（3）候选物的优化及候选库的改进
（1）候选库的设计与合成法
薄膜沉积法、溶液合成法 （2）快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价 光谱技术：红外热普技术（IR-themography） 激光诱导荧光成像技术（LIFI）
共振强化多光子离子化技术（REMPI）
光热偏转技术（PTD） 质谱技术：四极子质谱计技术（QMS）与气体敏化法相结 合的技术
10.1.3 催化剂次要成分设计 主要成分催化效果不理想时，可考虑加入次要组分， 一般量很少，但效果却很大 主要有：助催化剂、抑制剂、隔离剂等等 次要组分设计方法分类
（1）对症下药法
烃的异构化催化剂不希望酸性太大导致产物裂化——加碱 （2）机理研究法 弄清机理，精细调节——不容易搞清机理
10.2 催化剂类型设计法 10.2.1 块状金属催化剂 （1）熔融态金属催化剂 （2）骨架金属催化剂
载体组成能强烈影响金属的活性 金属与载体间的强相互作用成为SMSI （1）如载体不迁移（高于500℃热处理时） 强相互作用发生在金属粒子与载体间——金属组分在
载体表面上分散开，以环岛状负载（见10-12a）
（2）如金属熔点高且载体迁移 强相互作用表现为金属被载体氧化物润湿——金属粒 子被包封（见10-12b）
第10章工业催化剂的设计
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催化剂主要组分的设计 1. 根据有关催化理论的参数进行考虑 (2) 半导体费米能级和逸出功
费米能级Ef是表示半导体中电子的平均能量。逸出 功 是把一个电子从半导体内部拉到外部变成自由电 子时所需的最低能量。从费米能级到导带顶的能量差 即为逸出功。本征半导体的费米能级在禁带中间；n 型半导体的费米能级在施主能级与导带底之间；p型 半导体的费米能级在满带顶与受主能级之间。
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催化剂主要组分的设计 2. 基于催化反应的经验规律 (1)活性模型法：对于某一类催化反应或某一类型的催化
反应研究，常常得出不同催化剂所显示的活性呈现有规 律的变化。
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催化剂主要组分的设计 2. 基于催化反应的经验规律 (2)从吸附热推断：在某些情况下，可以从吸附热的数据
在金属氧化物上，如Cr2O3 、Co3O4 、NiO、ZnO等， 在400℃下经真空干燥除去表面氧化物的羟基，使金属离 子暴露，常温下可使H2非解离吸附。 H-H Zn
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O
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催化剂主要组分的设计 3.基于反应物分子活化模式的考虑 (2) O2的活化：非解离吸附（O2-形式参与表面过程）；
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催化剂主要组分的设计 1. 根据有关催化理论的参数进行考虑 (3) 晶体场、配位场理论 晶体场理论认为中心离子的电子层结构在配位场的 作用下，引发轨道能级的分裂。在催化作用中，当一 个质点被吸附在表面上形成表面复合物，则中心离子 的配位情况会改变，其d轨道在配位场的影响下会发 生分裂，分裂的情况与过渡金属离子的性质和配位体 的性质有关；同时，中心离子对配体也有影响。
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《工业催化原理》第十单元 工业催化剂的研究方法(13)10
活性常用的反应器，用不锈钢管或石英
玻璃管制成，可用于积分或微分操作方 dV k
Vk
式，用于积分操作方式的称为积分反应
器，用于微分操作方式的称为微分反应
器。积分反应器如图所示，即实验室常
用的微型管式固定床反应器。
X出口
化工资源有效利用国家重点实验室
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第一节 催化剂活性评价和动力学测定
积分反应器的特点：
（1）气体吸附法： 原理是毛细管凝聚理论，常用于测定微孔和中孔。
（2）压汞法：
由于表面张力的原因，汞不能使大多数固体物质湿润，因此要使汞进 入固体物质的孔中，必须施加外力，并且孔径越小，所需施加的外压 也越大，压汞法就是利用这样的原理。常用于测定中孔和大孔。
化工资源有效利用国家重点实验室
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第二节 催化剂的宏观物理性质测定
固定床反应器用于积分操作方式时（积分反应器），催化反应 可达到较高的转化率。由于在反应器进口和出口处物料的组成 有显著不同，催化剂床层首尾两端的反应速率变化较大，并且 沿催化剂床层有较大的温度梯度和浓度梯度，不能用一个数学 上的平均值代表整个反应器中物料的组成，因此，这时获取的 反应速度数据只能代表转化率对时空的积分结果，故名积分反 应器。
若令 1/ CVm A ， (C 1) / CVn B
则
1 Vm A B
，
即
Vm
1 截距 斜率
实验时给定一个P值，可测定一个对应的V值，这样可在一系列P值下测定V值，从而可求 得Vm值，有了Vm值后，换算为被吸附气体的分子数，将此分子数乘以一个分子所占的面
积，即得被测样品的总表面积S为：S VV~m N A Sm
P 1 C 1 P V (P0 P) CVm CVm P0
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（2）帮助进行必要的计算以提高催化剂的开发速度
目前已有部分利用计算机辅助催化剂设计的成功实例 但更多情况是：只能在一定程度上帮忙
10.4 固体催化剂设计新思路
10.4.1 借助酶催化原理于非生物质固体催化材料合成的思路 见图10-14及图10-15
10.4.2 利用组合技术设计开发催化剂
该工作需要三方面的基本技术： （1）设计和使用并行合成法合成众多有希望的候选物库 （2）建立快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价
最常用的仍然是骨架Ni和骨架Cu——加氢反应
优点： 易以活性金属相的形式贮存（负载型需要以氧化态存在） 制备简单、均匀性及重现性好、颗粒易控制 比表面高（Ni可达100m2/g,Cu达30m2/g）
10.2.2 负载金属催化剂 10.2.2.1 金属催化剂活性理论分析
d%特征百分数极重要！通常在40-50%（工业催化剂）
10.1.3 催化剂次要成分设计 主要成分催化效果不理想时，可考虑加入次要组分， 一般量很少，但效果却很大 主要有：助催化剂、抑制剂、隔离剂等等 次要组分设计方法分类
（1）对症下药法
烃的异构化催化剂不希望酸性太大导致产物裂化——加碱 （2）机理研究法 弄清机理，精细调节——不容易搞清机理
10.2 催化剂类型设计法 10.2.1 块状金属催化剂 （1）熔融态金属催化剂 （2）骨架金属催化剂
（3）候选物的优化及候选库的改进
（1）候选库的设计与合成法
薄膜沉积法、溶液合成法 （2）快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价 光谱技术：红外热普技术（IR-themography） 激光诱导荧光成像技术（LIFI）
共振强化多光子离子化技术（REMPI）
光热偏转技术（PTD） 质谱技术：四极子质谱计技术（QMS）与气体敏化法相结 合的技术
数值触媒学 20世纪60年代，由日本学者米田幸夫提出。见图10—4
推荐的催化剂设计框图程序 综合以上几位学者的意见后建议的催化剂设计框图如下
10.1.2 催化剂主要成分设计 方法分类
（1）基于催化理论设计活性组分 键合理论：价键理论、分子轨道理论、晶体/配位场理论
能带理论
（2）基于活化模式或经验规则设计活性组分
组装尺度
毫米尺度 微米尺度 纳米尺度
能够显示SMSI效应的载体氧化物在热处理是都可以被还原
不能显示SMSI效应的载体氧化物在热处理是都不可被还原 所以 载体氧化物可以被部分还原是导致金属粒子被包封、表现出 SMSI效应的必要条件之一
10.3 计算机辅助催化剂设计
催化剂设计的思想来自于于英国人D.A.dowden 计算机辅助催化剂设计的思想来自于日本的米田幸夫 计算机辅助设计的目的 （1）寻求、编排、分析已有的信息
重要的过渡金属d%值列于下表（表10-2）
不同金属加氢活性的顺序如下 Rh>Pd>Pt>Ni>Fe>W>Cr>Ta
加氢活性与d%的关系见下图（图10-10)
10.2.2.2 活性组分的负载 常用方法：理浸渍法、离子交换法、化学沉淀法等
根据具体反应类型的不同，可以选用活性非均匀分布
10.2.2.3 载体的作用及功能
载体组成能强烈影响金属的活性 金属与载体间的强相互作用成为SMSI （1）如载体不迁移（高于500℃热处理时） 强相互作用发生在金属粒子与载体间——金属组分在
载体表面上分散开，以环岛状负载（见10-12a）
（2）如金属熔点高且载体迁移 强相互作用表现为金属被载体氧化物润湿——金属粒 子被包封（见10-12b）
结论： （1）两种不同的制备方法导致不同的亚微观态和宏观结构 （2）只有熔融法才能得到最佳的催化状态
熔融法催化剂的制备主要控制两个方面：
（1）组成物料的熔融过程 （2）原子分散体系的精心控制固相化（见图10-7）
（2）骨架金属催化剂 20世纪20年代，M.Raney 发明了骨架镍， 后来又有了骨架铜（Ni-Al，Cu-Al合金） 及Co、Pt、Pd的二元合金， 再后来又发展为加入少量Mo、Cr、Zn的三元合金
（3）候选库的优化与模拟
采用并行式微型反应器可对研究结果进行优化（速度快） 数值模拟也是开发优化催化剂的有价值工具
10.4.3 固体催化剂的构件组装
20世纪30年代以前，采用天然物作催化剂
20世纪40-80年代，采用合成技术得到，涉及到氧化物载 体、活性金属、含氧化物相及含硫化 物相组成 以后 采用构件组装方式（趋势）
第十章 工业催化剂设计
10.1 工业催化剂设计方法 三个层次 （1）原子分子水平上的设计 （2）介观尺寸上的设计（3）宏观尺度上的设计
分类 （1）框图程序设计方法 （2）反应类型设计法 （3）计算机辅助设计法
10.1.1 框图程序 1968年 由英国学者W.A.dowden提出。 见图10—2
总体设计程序 由英国学者D.L.Trimm提出。见图10—3