第3章催化剂性能的评价、测试和表征-1、2

催化剂的表征与性能评价催化剂的表征和性能评价是研究催化剂特性和性能的重要组成部分。

通过对催化剂进行表征和评价，我们能够了解其物理和化学性质，进而优化催化剂的合成和设计过程，提高其催化性能。

本文将介绍几种常见的催化剂表征方法和性能评价指标。

一、表征方法1. X射线衍射(XRD)XRD是一种常用的催化剂表征方法，通过射线与晶体相互作用而产生衍射图样，可以得到催化剂晶体结构、晶格常数等信息。

XRD可以帮助我们确定催化剂的晶体相、相纯度以及晶体尺寸等参数，进而推断其催化性能。

2. 透射电子显微镜(TEM)TEM可以观察催化剂的微观形貌和晶体结构，对于了解催化剂的微观结构和局域化学环境具有重要意义。

通过TEM可以获得催化剂粒子的形貌、粒径以及分布情况等信息，这些信息对于理解催化剂活性和选择性具有重要的指导作用。

3. 扫描电子显微镜(SEM)SEM能够观察催化剂的表面形貌和粒子分布情况，通过SEM可以了解催化剂的表面形貌、粒子形状和大小分布等特征。

这些信息对催化剂的反应活性和稳定性具有重要影响。

4. 紫外可见吸收光谱(UV-vis)UV-vis光谱可以帮助我们了解催化剂的电子结构和吸收性能。

通过UV-vis光谱可以获得催化剂的能带结构、价带和导带等信息，进一步推断其电子传输性能和催化活性。

二、性能评价指标1. 催化活性催化活性是评价催化剂性能的重要指标之一。

通过测定反应物的转化率、产物的选择性和产率等参数，可以评价催化剂的活性。

活性的高低决定了催化剂的实际应用性能。

2. 催化稳定性催化稳定性是衡量催化剂寿命和循环使用性能的重要指标。

通过长时间反应的实验，观察催化剂的活性变化情况，评估其稳定性。

催化剂的稳定性直接影响其在实际工业生产中的应用前景。

3. 表面酸碱性催化剂的表面酸碱性是其催化性能的重要基础。

通过吸附剂和探针分子等的测试，可以评估催化剂的酸碱性。

催化剂的酸碱性对于催化反应的催化活性和选择性具有直接的影响。

《催化材料及催化剂工程a》教学大纲课程编号：1032650总学时：32H（理论教学32H）学分：2基本面向：生物工程、制药工程、化学工程与工艺专业一、本课程的目的、性质及任务本课程属工程学科，是化工类及相近专业的选修课。

通过本课程的学习使同学们系统地掌握工业催化剂的基本概念、基本制造方法、性能的评价、测试和表征手段，了解工业催化剂的开发过程、制备设计和操作设计，为学生今后的科研和开发打下良好的基础。

二、本课程的基本要求1、掌握工业催化剂的基本概念、基本制造方法、性能的评价、测试和表征手段；2、了解工业催化剂的开发过程、制备设计和操作设计。

三、本课程与其它课程的关系先修课程：《物理化学》、《有机化学》、《无机化学》、《化工原理》等。

四、本课程的教学内容第一章工业催化剂概述（一）催化剂在国计民生中的作用（二）催化若干术语和基本概念第二章工业催化剂的制造方法（一）沉淀法、浸渍法、混合法、热融融法、离子交换法（二）催化剂的成型（三）典型工业催化剂制备方法实例（四）固体催化剂制备方法的新进展第三章催化剂性能的评价、测试和表征（一）概述（二）活性评价和动力学研究（三）催化剂的宏观物理性质测定（四）催化剂微观（本体）性质的测定和表征第四章工业催化剂的开发（一）概述（二）实验室工作（三）扩大实验（四）新型催化剂的工业生产、试用和换代开发第五章工业催化剂的制备设计（一）催化剂及其设计的理论概观（二）催化剂设计的一般程序（三）组分设计与验证性筛选（四）热力学分析与反应通道的设计（五）化学反应的机理研究与催化剂设计（六）催化剂原材料的选择（七）电子计算机辅助催化剂制备设计第六章工业催化剂的操作设计（一）操作设计概念（二）一般操作经验（三）使用技术中的若干选择与优化问题（四）电子计算机辅助催化剂操作设计五、学时分配本课程采用课堂教学，提倡启发式、讨论式教学组织实施，以充分调动学生的主观能动性和积极参与精神，提高教学质量和教学效果。

3.2催化剂的微观性质及其表征3.2催化剂的微观性质及其表征固体催化剂的微观结构和物化性能主要包括催化剂本体及表面的化学组成、物相结构、活性表面、晶粒大小、分散度、价态、酸碱性、氧化还原性、各个组分的分布及能量分布等.3.2.1本体组成及结构对固体催化剂来说，最重要的本体性质是组成和结构。

催化作用是化学作用，它与催化剂的化学组成是密切相关的。

对某一反应具有活性的元素常常并不是任何形式都能起作用，而是通过一定的化合物形式起作用。

所以对组成和相结构的测定是非常重要的。

3.2.1.1本体组成对催化剂的元素组分进行定性与定量分析，可以得到主要组分及杂质的组成、含量及其在颗粒中的分布。

主要组分包括活性组分、助剂和载体。

杂质包括由原料及制备过程中带入的毒物、粉尘、污染物及生成的沉积物焦炭等。

分析方法除定性和定量的化学分析如酸碱滴定及络合滴定等，还有仪器分析如X 荧光分析、电子探针分析、原子吸收光谱法等。

(1)溶液法溶液法是大家熟悉的定量分析法。

通常是将所测定的元素以某种方式溶解，用滴定法测定其浓度或利用其特有的颜色用光吸收法测定其浓度。

例如，加氢脱硫催化剂中的钻按下述标准方法测定。

(16・30)mg的钻的等分试样几份。

将每一份试样加到已知量的过量的铁氧化钾，柠檬酸鞍, 氨和醵中。

在钻与铁氤化台物络合以后，用标准的钻溶液回滴 (用电位滴定的方法)。

从初始浓度计算样品中的钻浓度。

其他组分没有干扰。

也可用光吸收法测定络合物的浓度。

上述方法对于那些在催化中重要的组分(例如钻、镰、铝、钳) 是典型的，都有标准的方法。

(2)X荧光光谱分析(X・i•町fluorescence spectroscopy XRF)样品在X射线照射下发射次级X射线，即荧光X射线，它与元素原子序数Z的关系为；九=(K・Z)2,其中K和S是常数，只要测出荧光射线的波长，便可知元素的种类。

由谱线强度.可得到该元素的含量，这就是X射线荧光分析。

这种方法需要的样品量少(微量取样法可少至lmg),甚至含量很低的元素也可检出和测定，分析速度快而且是非破坏性的.但对轻元素(v5)如Na 等难于测定，含量＞0.0x% o(3)电子探针分析(Electron Probe Microanalysis EPMA)高能的电子束聚焦到样品表面，原子的内壳层(K、L、M)电离产生代表元素性质的特征X射线，X射线的强度正比于元素的浓度，从所得X射线照片可知特定元素的本质和分布，达到很高的分辨率。

催化剂性能表征催化剂性能优劣的判断指标。

其中最主要的是动力学指标，对于固体催化剂还有宏观结构指标和微观结构指标。

催化剂性能的动力学表征衡量催化剂质量的最实用的三大指标，是由动力学方法测定的活性、选择性和稳定性。

活性催化剂提高化学反应速率的性能的一种定量的表征。

在实际应用中，用特定条件下某一反应物的转化率或时空得率等数值来衡量它，例如下列反应：a A＋b B─→c C＋d DA的转化率x A定义为：式中n┱是反应前A的摩尔数；n A是反应后A的摩尔数。

时空得率为单位体积催化剂上所得产物的重量，其单位为千克/（米3·小时）。

这类数值与反应装置和条件有关，而且在给定条件下，若催化剂层存在着物理因素（传热、传质等）的影响，则其活性数值并不代表催化剂本身的本征活性。

在理论研究中，常采用无物理因素影响的动力学参数（反应速率、反应速率常数、活化能等）来表征催化剂的活性。

但反应速率和反应速率常数与催化剂计量的基准单位（表面积、体积、质量）有关。

以表面积为基准的量分别称为表面比反应速率和表面比速率常数；以质量为基准的称为比反应速率或催化剂的比活性。

反应速率常数的数值还与所用的速率方程的形式有关。

随着对催化作用的活性中心认识的深入和测试方法的进步，已引用酶催化中的转化频率来表示一般催化剂的活性。

其定义为单位时间内每个活性中心上起反应的次数或分子数。

转化频率的数值也须注明温度、起始浓度或压力和反应度。

选择性指催化剂对反应类型、复杂反应（平行或串联反应）的各个反应方向和产物结构的选择催化作用。

分子筛催化剂对反应分子的形状还有择形选择性。

催化剂的选择性通常用产率或选择率和选择性因子来量度。

对于前述反应式，目的产物C的产率s C定义为C的摩尔数n C对已转化的反应物A的摩尔数n A之百分比，即：式中a和c为常数。

如果已知主、副反应的反应速率常数分别为k1和k2,则选择性用选择性因子s来表示,s＝k1/k2。

产率越高或选择性因子越大，则催化剂的选择性越好。

催化剂性能的评价、测试和表征 概述主要内容• 活性评价和动力学研究• 催化剂的宏观物理性质测定 • 催化剂微观性质的测定和表征工业催化剂性能评价的目的①为应用提供依据②为开发制备提供判别的标准 ③基础研究的需要 评价内容① 使用性能活性，选择性，寿命 ②.宏观性能：比表面积，孔结构，形状与尺寸 ③.微观性能：晶相组成，表面酸碱性• 工业催化剂的性能要求及其物理化学性质4催化剂测试• 催化剂的物理性质的测定 ，包括宏观物理性质（孔容、孔径分布、比表面等）及微观物理性质（催化剂的晶相、晶格缺陷、微观粒径尺寸等） 几个基本概念评价（evaluation ），对催化剂的化学性质考察和定量描述； 测试（test ），对工业催化剂物理性质（宏观和微观）的测定； 表征（Characterization ），综合考察催化剂的物理、化学的性质和内在联系，特别是研究活性、选择性、稳定性的本质原因。

第一节．活性评价和动力学研究活性测定方法：流动法和静态法，流动法用得最多（一般流动法、流动循环法、催化色谱法） 本质上是对工业催化过程的模拟流动循环法、催化色谱法多用于反应动力学和反应机理 活性测试的目的a ）由催化剂制造商或用户进行的常规质量控制检验b ）快速筛选大量催化剂，以便为特定的反应确定一个催化剂评价的优劣。

c ）更详尽的比较几种催化剂d ）测定在特定催化剂上反应的详尽动力学，包括失活或再生动力学。

e ）模拟工业反应条件下催化剂的连续长期运转 活性的表示方法• 转化率(X A)活性的表示方法• 选择性(S)%100⨯=的起始摩尔数反应物已转化的摩尔数反应物A A X A %100⨯=摩尔数已转化的某一反应物的所得目的产物的摩尔数S收率(Y)Y=X A ×S• 时空得率（STY ）：每小时、每升催化剂所得产物的量关于时空得率：指在一定条件（温度、压力、进料空速）下，单位体积或单位质量催化剂所得到产物量，多用于工业生产和工业设计，可直接计算出量产。