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固体催化剂宏观性质
固体催化剂的宏观性质主要包括两个方面：宏观结构和宏观性能。
1、固体催化剂宏观结构
图1 催化剂的宏观性质
固体催化剂宏观结构主要包括：催化剂密度，如表观颗粒密度(假密度)、骨架密度(真密度)和表观堆积密度；颗粒形状和尺寸；比表面；孔结构，如孔径、孔径分布、孔容和孔隙率。
1.1催化剂密度
表观堆积密度：包含了颗粒间的空隙及内孔体积。
它是指以催化剂颗粒堆积时的体积为基准的密度，为它的数值随颗粒形状及装填方法而变化。
测试方法：通常是将一定质量的催化剂放在量筒中，使量筒振动至体积不变后，测出表观体积Vb进而求得表观堆积密度。
颗粒表观颗粒密度：又称假密度，包含了开口细孔及封闭内孔体积。
它是指以单个颗粒体积为基准的密度。
形状规则的大颗粒可直接测得其体积，小而不规则的颗粒通常采用汞置换法（利用汞在常压下只能进入粒径大于5000纳米孔的原理。
）测出颗粒间隙Vi后求得，但要注意可能存在的毛细管效应，因为小颗粒集聚体能形成汞不能渗入的颗粒间小孔。
真密度：只含骨架体积，又称骨架密度，真密度是催化剂颗粒的真实平均密度，不含空隙及孔隙体积。
可用流体置换法测定。
通常用氦置换法测定多孔物质的真密度最精确，因为氦的有效原子半径仅为0.02nm，容易渗入非常细小的孔内。
第二章催化剂的制备、性能评价及使用技术1．多相催化剂常用哪些方法来制备？为什么制备固体催化剂都需要经过热处理，其目的是什么？多相催化剂常用的制备方法有：（1）天然资源的加工，结构不同，含量不同的硅铝酸盐采用不同的方法和条件加工后能适用于某一特定的催化反应；（2）浸渍法，将载体置于含活性组分的溶液中浸泡，达到平衡后将剩余液体除去，再经干燥、煅烧、活化等步骤即得催化剂。
此法要求浸渍溶液中所含活性组分溶解度大、结构稳定、受热后分解为稳定的化合物；（3）滚涂法和喷涂法，滚涂法是将活性组分先放在一个可摇动的容器中，再将载体布于其上，经过一段时间的滚动，活性组分逐渐粘附其上，为了提高滚涂效果，有时也添加一定的粘合剂。
喷涂法与滚涂法类似，但活性组分不同载体混在一起，而是用喷枪附于载体上；（4）沉淀法，在含金属盐类的水溶液中，加进沉淀剂，以便生成水合氧化物、碳酸盐的结晶或凝胶。
将生成的沉淀物分离、洗涤、干燥后，即得催化剂；(5)共混合法：将活性组分与载体机械混合后，碾压至一定程度，再经挤条成型，最后缎烧活化；（6）沥滤法(骨架催化剂的制备方法)，将活性组分金属和非活性金属在高温下做成合金，经过粉碎，再用苛性钠来溶解非活性金属即得；（7）离子交换法: 是在载体上金属离子交换而负载的方法, 合成沸石分子筛一般也是先做成Na型，需经离子交换后方显活性；(8) 均相络合催化别的固载化: 将均相催化剂的活性组分移植于载体上, 活性组分多为过渡金属配合物，载体包括无机载体和有机高分子载体。
优点是活性组分的分散性好，而且可根据需要改变金属离子的配体。
制备各固体催化剂，无论是浸渍法，沉淀法还是共混合法，有的钝态催化剂经过缎烧就可以转变为活泼态，有的还需要进一步活化。
所以，催化剂在制备好以后，往往还要活化;除了干燥外，还都需要较高温度的热处理-煅烧的目的：1)通过热分解除掉易挥发的组分而保留一定的化学组成，使催化剂具有稳定的催化性能。
催化剂常用制备方法固体催化剂的构成●载体（Al2O3 ）●主催化剂（合成NH3中的Fe）●助催化剂（合成NH3中的K2O）●共催化剂（石油裂解SiO2-Al2O3催化剂制备的要点●多种化学组成的匹配–各组分一起协调作用的多功能催化剂●一定物理结构的控制–粒度、比表面、孔体积基本制备方法：⏹浸渍法(impregnating)⏹沉淀法(depositing)⏹沥滤法(leaching)⏹热熔融法(melting)⏹电解法(electrolyzing)⏹离子交换法(ion exchanging)⏹其它方法固体催化剂的孔结构（1）比表面积Sg比表面积：每克催化剂或吸附剂的总面积。
测定方法：根据多层吸附理论和BET方程进行测定和计算注意：测定的是总表面积，而具有催化活性的表面积（活性中心）只占总表面的很少一部分。
内表面积越大，活性位越多，反应面越大。
（2）催化剂的孔结构参数密度：堆密度、真密度、颗粒密度、视密度比孔容（Vg）：1克催化剂中颗粒内部细孔的总体积.孔隙率(θ):颗粒内细孔的体积占颗粒总体积的分数．(一) 浸渍法⏹通常是将载体浸入可溶性而又易热分解的盐溶液(如硝酸盐、醋酸盐或铵盐等)中进行浸渍，然后干燥和焙烧。
⏹由于盐类的分解和还原，沉积在载体上的就是催化剂的活性组分。
浸渍法的原理●活性组份在载体表面上的吸附●毛细管压力使液体渗透到载体空隙内部●提高浸渍量（可抽真空或提高浸渍液温度）●活性组份在载体上的不均匀分布浸渍法的优点⏹第一，可使用现成的有一定外型和尺寸的载体材料，省去成型过程。
（如氧化铝，氧化硅，活性炭，浮石，活性白土等）⏹第二，可选择合适的载体以提供催化剂所需的物理结构待性．如比表面、孔径和强度等。
⏹第三，由于所浸渍的组分全部分布在载体表面，用量可减小，利用率较高，这对贵稀材料尤为重要。
⏹第四，所负载的量可直接由制备条件计算而得。
浸渍的方法⏹过量浸渍法⏹等量浸渍法⏹喷涂浸渍法⏹流动浸渍法1.1、过量浸渍法⏹即将载体泡入过量的浸渍液中，待吸附平衡后，过滤、干燥及焙烧后即成。
第二章 气－固相催化反应宏观动力学 概述在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。
42223323322222233332322CH H O CO H CH OH +0.5O HCHO+H OCO H CH OHCH CHCH NH O CH CHCN H ON H NH +++=++=++从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。
1. 反应特点1）反应物和产物均为气体；2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。
2. 反应步骤反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的，反应分5步进行。
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散；2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。
第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3步称为本征动力学过程。
在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的，相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。
3.宏观动力学气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率的“总和”，称之为总体速率。
气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。
4.本章主要内容讨论气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内容有以下几方面。
1）催化剂颗粒内气体的扩散；2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散有效因子；3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。
第一节气－固相催化反应的宏观过程2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布设某反应的关键组分为A；催化剂为球形，关径R p；颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层；A 在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为C Ag 、C As 、 C Ac ；平衡浓度为C A *。
实验十五 固体催化剂的比表面积及孔径分布测定一、实验目的：1. 了解固体催化剂的比表面积和孔径2. 用美国micromeritics 公司的Gemini V2.00物理吸附测试仪测定多孔材料的比表面积和孔径分布。
3. 了解测试原理和测试技术。
二、基本原理比表面积是单位体积或单位质量催化剂颗粒的总表面积。
国标单位m 2/g 或m 2/Kg 。
比表面积是评价催化剂、吸附剂及其他多孔材料工业利用的重要指标之一。
比表面积的大小，对与不同材料的的热学性质、吸附能力、化学稳定性、以及催化剂的有效催化空位等均有明显的影响。
孔容、孔径分布是指不同孔径的孔容积随孔径尺寸的变化率。
一般把孔按尺寸大小分为三类：孔径≤2nm 为微孔，孔径在2-50nm 范围为中孔，孔径≥50nm 为大孔，其中中孔具有最普遍的意义。
许多超细粉体材料的表面是不光滑的，甚至专门设计成多孔的，而且孔的尺寸大小、形状、数量与它的某些性质有密切的关系，例如催化剂与吸附剂。
因此，测定催化材料表面的孔容、孔径分布具有重要的意义。
借助于气体吸附原理，测定样品的总表面积需要非选择性的物理吸附。
用简单的非极性分子(如稀有气体或氮)能最近似地达到这种预期的情况，并且已被广泛利用。
BET 方法是分析多分子层物理吸附最常用的方法。
对于自由表面上的吸附，BET 方程：))1(1)((00P P C P P CP n n s m s -+-=式中 n s ----在平衡压力p 时吸附气体的数量p 0 ----在吸附温度下处于凝聚态吸附质的蒸汽压n m s ----单分子层覆盖时的n sC-----一个与第一层吸附热(ΔH1)和吸附质凝聚热(ΔHc)有关的常数BET 方程还可以改写成以下形式Cn P P C n C P P n P s m s m s 1))(1()(00+-=- 当把 )(0P P n P S -对相对压力 P/P 0做图时就得到一条直线。
由斜率1s m C n C -和截 距Cn s m 1可以求得n m s 的值。
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-CH2—CH=CH2Bi3、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θ2= k B P B(1—θA—θB）2。
