第五章过渡金属氧化物催化剂(一)-半导体理论

过渡金属催化剂有二大特点：Ⅰ、在反应气氛如H2、O2气下，过渡金属是以金属晶体存在。

Ⅱ、最适合用于金属催化剂的活性组份是那些最外层有1～2个S电子，次外层为d电子，d电子为大部分充满状态的元素。

金属催化作用与d电子性质、金属晶体、表面结构有关。

3d带电子填充量为94%，若平均到每个Ni原子上时，d轨道的电子填充量为9.4个电子。

即Ni金属晶体中的Ni 原子d轨道中还差0.6个电子就可被完全充满，使d轨道能量或d带能量处于最低，因而有很强的能力去获得电子，我们把这个电子差额称之为d孔穴。

20、25、36、38、40、42、46、59、61、93-102、104-106、110、144、148、149（很重要）、153、159、172（不错）、173（非常好）、177、180（以及后面连续的几页都比较重要）页有重要信息几何论和能量匹配论包括两个方面：Ⅰ、吸附物分子与活性位空间结构的几何对应关系。

Ⅱ、吸附物分子与活性位之间的能量对应关系。

EFGH晶面的Miller指数：（100）ABC晶面的Miller指数：（222）金属结构的应用在于：形成合金：当原子半径相近，而晶胞结构又相同的一些金属可以相互取代，形成结构不被破坏的合金，如，Pd—Au，Pt—Re，Cu—Ni 等合金催化剂。

低Miller指数晶面上晶格原子排布整齐，高能量的边、角原子少，原子密度高，故其表面剩余能低，稳定性高。

高Miller指数晶面则晶格排布有不规整的地方，处于高能态的边、角原子多，原子密度低，表面剩余能高，稳定性差。

表面以下面几种方式来降低晶体的总表面能：1.尽量减少向外暴露的表面积。

2.暴露表面以低表面能的晶面为主。

3.改变金属晶体外露的表面几何结构。

4.增强金属与载体间的相互作用。

改变外露的表面几何结构以减少表面能表面松弛与重构（Relaxation & Reconstruction ofSurfaces ）I.表面松弛表面松弛（Relaxation）：是一种对体系能量没有任何影响的微小的表面层重排（rearrangement ）；它仅在垂直于表面的方向上表面层间距的变化，对表面的周期性、平行性和对称性没有影响。

过渡金属催化剂摘要：1.过渡金属催化剂的定义和背景2.过渡金属催化剂的分类和特点3.过渡金属催化剂的应用领域4.我国在过渡金属催化剂研究方面的进展5.过渡金属催化剂的发展趋势和前景正文：过渡金属催化剂在现代化学工业中具有举足轻重的地位，它们以其独特的催化性能和广泛的应用领域成为催化剂研究的热点。

本文将围绕过渡金属催化剂的定义、分类、应用、研究进展以及发展趋势等方面进行阐述。

1.过渡金属催化剂的定义和背景过渡金属催化剂是指一类以过渡金属元素作为活性中心的催化剂，通常具有良好的催化活性和选择性。

由于过渡金属元素具有丰富的价态和多种氧化还原性能，使得它们在催化反应中具有极大的应用潜力。

2.过渡金属催化剂的分类和特点过渡金属催化剂可以根据催化反应类型、金属元素种类以及载体材料进行分类。

各类催化剂具有不同的催化活性和选择性，以及不同的应用领域。

例如，钼酸盐催化剂广泛应用于氧化反应，而钼酸铵催化剂则更适合于环氧化反应。

3.过渡金属催化剂的应用领域过渡金属催化剂在许多化学反应中都有广泛应用，包括氧化反应、加氢反应、氧化还原反应等。

这些催化剂在石油化工、环境保护、生物化工等领域发挥着重要作用。

例如，在生产聚合物、合成橡胶、制药等领域，过渡金属催化剂具有不可替代的地位。

4.我国在过渡金属催化剂研究方面的进展近年来，我国在过渡金属催化剂研究方面取得了显著进展。

一方面，我国科学家在催化剂材料选择、制备工艺和催化性能研究等方面取得了突破；另一方面，我国在催化剂产业化和应用方面也取得了显著成果。

我国已经成为世界上最大的催化剂生产和出口国之一。

5.过渡金属催化剂的发展趋势和前景随着科学技术的不断发展，过渡金属催化剂的研究和应用将会继续深入。

未来的发展趋势包括：新型催化剂的开发、高效催化剂的设计、绿色催化技术的应用等。

可以预见，过渡金属催化剂将在未来化学工业中发挥更加重要的作用。

综上所述，过渡金属催化剂在现代化学工业中具有重要的地位和应用价值。

第一章催化剂基本知识1. 名词解释（1）活性：催化剂使原料转化的速率，工业生产上常以每单位容积（或质量）催化剂在单位时间内转化原料反应物的数量来表示，如每立方米催化剂在每小时内能使原料转化的千克数。

（2）选择性：目的产物在总产物中的比例，实质上是反应系统中目的反应与副反应间反应速度竞争的表现。

（3）寿命：指催化剂的有效使用期限。

（4）均相催化反应：催化剂与反应物同处于一均匀物相中的催化作用。

（5）氧化还原型机理的催化反应：催化剂与反应物分子间发生单个电子的转移，从而形成活性物种。

（6）络合催化机理的反应：反应物分子与催化剂间配位作用而使反应物分子活化。

（7）（额外补充）什么是络合催化剂？答：一般是过渡金属络合物、过渡金属有机化合物。

（8）反应途径：反应物发生化学反应生成产物的路径。

（9）催化循环：催化剂参与了反应过程，但经历了几个反应组成的循环过程后，催化剂又恢复到初始态，反应物变成产物，此循环过程为催化循环。

（10）线速度：反应气体在反应条件下，通过催化床层自由体积的的速率。

（11）空白试验：在反应条件下，不填充催化床，通入原料气，检查有无壁效应，是否存在非催化反应。

（12）催化剂颗粒的等价直径：催化剂颗粒是不规则的，如果把催化剂颗粒等效成球体，那么该球体的直径就是等价直径。

（13）接触时间：在反应条件下的反应气体，通过催化剂层中的自由空间所需要的时间。

（14）初级离子：内部具有紧密结构的原始粒子。

（15）次级粒子：初级粒子以较弱的附着力聚集而成-----造成固体催化剂的细孔。

2. 叙述催化作用的基本特征，并说明催化剂参加反应后为什么会改变反应速度？①催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。

②催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡的位置（平衡常数）。

③催化剂对反应具有选择性。

④催化剂的寿命。

催化剂之所以能够加速化学反应趋于热力学平衡点，是由于它为反应物分子提供了一条轻易进行的反应途径。

最新⼯业催化原理—作业汇总（含答案）第⼀章催化剂与催化作⽤基本知识1、简述催化剂的三个基本特征。

答：①催化剂存在与否不影响△Gθ的数值，只能加速⼀个热⼒学上允许的化学反应达到化学平衡状态⽽不能改变化学平衡；②催化剂加速化学反应是通过改变化学反应历程，降低反应活化能得以实现的；③催化剂对加速反应具有选择性。

2、1-丁烯氧化脱氢制丁⼆烯所⽤催化剂为MoO3/BiO3混合氧化物，反应由下列各步组成（1）CH3-CH2-CH=CH2+2Mo6++O2-→CH2=CH-CH=CH2+2Mo5++H20（2）2Bi3++2Mo5+→2Bi2++2Mo6+（3）2Bi2++1/202→2Bi3++02-总反应为CH3-CH2-CH=CH2+1/202→CH2=CH-CH=CH2+H20试画出催化循环图。

CH3-CH22Bi3、合成氨催化剂中含有Fe3O4、Al2O3和K20，解释催化剂各组成部分的作⽤。

答：Fe3O4：主催化剂，催化剂的主要组成，起催化作⽤的根本性物质Al2O3：构型助催化剂，减缓微晶增长速度，使催化剂寿命长达数年K20：调变型助催化剂，使铁催化剂逸出功降低，使其活性提⾼第⼆章催化剂的表⾯吸附和孔内扩散1、若混合⽓体A和B2在表⾯上发⽣竞争吸附，其中A为单活性吸附，B2为解离吸附：A+B2+3*→A*+2B*,A 和B2的⽓相分压分别为p A和p B。

吸附平衡常数为k A和k B。

求吸附达到平衡后A的覆盖率θA和B的覆盖率θB。

解：对于⽓体A：吸附速率v aA=k aA P A(1—θA—θB) ；脱附速率v dA=k dAθA平衡时：v aA=v dA，即θA=（k aA/k dA）P A（1—θA—θB）=k A·k B（1—θA—θB）对于⽓体B：吸附速率v aB=k aB P B(1—θA—θB)2；脱附速率v dB=k dBθB2平衡时：v aB=v dB ，即θB2= k B P B(1—θA—θB)2。

半导体催化剂教程介绍在化学催化领域，半导体催化剂作为一种新兴而有潜力的材料，逐渐引起了人们的广泛关注。

半导体催化剂具有良好的光电性能和化学催化活性，在能源转换、环境治理等方面具有广阔的应用前景。

本教程旨在为读者提供关于半导体催化剂的基本知识，并介绍其在催化反应中的应用。

一、基本概念半导体催化剂可在光照条件下通过光生电荷转移来催化活化反应。

它与传统的金属催化剂相比，具有更高的催化效率和选择性。

半导体催化剂可以利用太阳能等可再生能源，将光能转化为化学能，并应用在水分解、CO2还原等领域。

二、半导体催化剂的结构与性质1. 结构：半导体催化剂通常由二维材料如石墨烯、二维过渡金属硫族化合物等构成。

这些材料具有大比表面积和丰富的活性位点，有利于催化反应的进行。

2. 光电性能：半导体催化剂的带隙能帮助调节光吸收和光生电子的能力。

通过调控材料的能带结构和禁带宽度，可以实现对特定波长光的高效利用。

3. 电子传输：半导体催化剂中电子的传输对于催化反应至关重要。

良好的电子传输性能可提高催化反应速率和效率。

三、半导体催化剂的应用领域1. 水分解：半导体催化剂可以利用光生电子和光生空穴来催化水分解反应，产生氢气作为清洁能源。

该技术具有环境友好、高效率的特点。

2. CO2还原：通过光催化反应，半导体催化剂可将二氧化碳转化为碳氢化合物等有用产品，从而达到CO2减排和资源再利用的目的。

3. 空气污染治理：半导体催化剂可应用于大气污染物的催化氧化和还原反应中，有效降解有害气体和净化空气。

四、半导体催化剂的合成方法1. 溶液法：通过控制溶剂中的化学反应，在溶液中合成半导体催化剂。

这种方法具有操作简便、反应条件温和的优点。

2. 气相法：通过化学气相沉积等方法，在气相中制备半导体催化剂。

这种方法可得到纯度高且结构均匀的催化剂样品。

3. 固相法：通过固相反应或热解等方法，在固相条件下制备半导体催化剂。

这种方法适用范围广，但反应条件较为严格。