第五章常用工业催化剂

《工业催化》教学大纲课程编号：S132022 课程类型：专业课课程名称：工业催化英文名称：Industrial Catalysis学分：2 适用专业：化学工程与工艺、应用化学第一部分大纲说明一、课程的性质、目的和任务本课程属于化学工程与工艺专业和应用化学专业的专业必修课程，主要介绍工业催化技术的应用以及催化剂设计、制备、表征的一般知识和规律。

通过教学使学生掌握催化作用原理、催化剂设计、催化剂制备与催化剂活性评价等基本知识，了解催化过程的应用与发展趋势，为培养化工专业技术人才提供坚实的理论基础。

二、课程的基本要求1、知识要求：通过本课程的学习，使学生了解催化作用的基本规律和基本原理，了解热力学平衡原理对催化作用的制约。

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。

了解工业催化技术的基本要求和特性。

掌握一些重要催化剂，如固体酸碱催化剂、分子筛催化剂、金属催化剂、络合催化剂、金属氧化物剂和金属硫化物催化剂的催化作用和制备方法。

2、能力要求：本课程是一门实践性很强的课程，在学习过程中要使学生多实践、多观察、多思考，从而提高其自学能力、分析能力和动手能力。

使学生能够运用所学有关催化剂的基本知识，进行简单催化剂的设计和制备；能够对催化剂作简单表征。

三、本课程与相关课程的联系本课程应在《物理化学》、《化工原理》等课程之后开设。

四、学时分配本课程学分为2学分，建议开设32学时（在保证学分的前提下可以微调）。

五、教材与参考书建议教材：《工业催化》（第二版），黄仲涛，化学工业出版社，2006年参考书目：1、《工业应用催化剂》，金杏妹，华东理工大学出版社，2004年2、《工业催化剂研制与开发》，闵恩泽，中国石化出版社，1997年3、《工业催化剂设计与开发》，黄仲涛，华南理工大学出版社，1992年4、《催化剂工程导论》，王尚弟、孙俊全，化学工业出版社，2001年5、《工业催化原理》，李玉敏，天津大学出版社，1996年六、教学方法与手段建议本课程以讲授为主，部分内容采用课堂讨论的形式。

1第五章多相催化剂金属性(metallicity )的表征2¾金属催化剂¾金属络合物催化剂¾金属氧化物催化剂¾金属硫化物催化剂¾双功能催化剂一、以金属元素为活性中心的催化剂半导体型催化剂——用于氧化－还原型催化反应3金属催化剂是重要的工业催化剂, 例如:¾纯金属催化剂：—电解银催化剂、融铁催化剂、铂网催化剂、Ni/Al 2O 3加氢催化剂¾金属合金催化剂—Pt -Re, Pt -Ir /无铅汽油, Pt -Rh , Pt -Pd / 汽车尾气¾金属络合物催化剂：—烯烃氢醛化制羰基化合物的多核Fe 3(CO)12催化剂4金属催化剂的工业应用¾加氢—Ni 、Ni/Al 2O 3¾制氢—Ni/MgO -Al 2O 3-SiO 2-K 2O¾脱氢—Pt/Al 2O 3(UOP)、Pt -ZnO/Al 2O 3(Philips)¾选择加氢—Pd -Ag/Al 2O 3、Ru/Al 2O 3¾催化重整—Pt/Al 2O 3、Pt –Re/γ-Al 2O 3¾异构化—Pt/Al 2O 3-卤素、Pt/ZSM -5/Al 2O 3¾氧化—Pt -Rh 网、Pt/蜂窝陶瓷、Ag/惰性Al 2O 3¾氢转移—Ru 负载型催化剂非贵金属贵金属5金属氧化物催化剂金属氧化物催化剂常为复合氧化物（Complex oxides ），即多组分氧化物。

如V 2O 5-MoO 3，Bi 2O 3-MoO 3，TiO 2-V 2O 5-P 2O 5，V 2O 5-MoO 3-Al 2O 3，MoO 3-Bi 2O 3-Fe 2O 3-CoO -K 2O -P 2O 5-SiO 2（即7组分的代号为C 14的第三代生产丙烯腈催化剂）。

¾组分中至少有一种是过渡金属氧化物¾组分与组分之间可能相互作用，作用的情况常因条件而异6金属氧化物催化剂¾主催化剂——单独存在时就有活性，如MoO 3-Bi 2O 3中的MoO 3¾助催化剂——单独存在时无活性或很少活性，但能使主催化剂活性增强，如Bi 2O 3。

工业电催化剂
工业电催化剂是一种用于促进电催化反应的材料。

它们被广泛应用于工业领域中的电化学过程，如电解、电池、电解析气等过程中。

以下是一些常见的工业电催化剂：
1.金属催化剂：金属催化剂如铂、铱、钌等常用于工业中的
电催化反应。

这些金属具有良好的电导性和电催化活性，能够催化电化学反应，并提高反应的速率和效率。

2.氧化物催化剂：氧化物催化剂如二氧化铁、锡氧化物等也
被广泛应用于工业电催化反应。

这些氧化物具有良好的电化学性能，可以催化氧化还原反应、气体分解反应等。

3.有机物催化剂：有机物催化剂如钴络合物、铁锰络合物等
在某些电化学反应中也得到了应用。

这些有机物具有较高的催化活性，并可以调控催化反应的选择性和效果。

4.活性炭催化剂：活性炭是一种多孔性材料，具有较大的比
表面积和吸附能力。

在工业电催化反应中，活性炭常用作电极材料，能够提供良好的反应界面，增强电化学反应的效果。

工业电催化剂的选择取决于具体的电化学反应类型和要求。

不同的电化学反应需要不同类型和性质的催化剂。

因此，在实际应用中，需要根据具体反应的要求和条件，选择合适的电催化剂并进行优化设计，以提高反应效率和产物质量。

同时，催化
剂的稳定性和寿命也需要考虑，以确保长期稳定的工业生产。

第五章催化剂研究方法催化剂研究方法是在催化剂领域中，用于研究催化剂活性、选择性、稳定性等性质和机理的一系列实验方法的总称。

催化剂研究方法是催化化学研究的基础和前提，也是提高催化剂性能和开发新型催化剂的重要手段。

本章主要介绍几种常见的催化剂研究方法。

一、催化剂表征方法催化剂表征方法主要是通过对催化剂表面结构、组成和性质的表征，来了解催化剂的形貌、结构和活性中心等信息。

常见的催化剂表征方法包括：X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等。

这些方法可以提供催化剂的晶体结构、形貌和表面化学环境等信息，为催化剂的性能和活性中心的研究提供了重要的依据。

二、催化剂活性测试方法催化剂活性测试是研究催化剂催化活性的重要方法，常用的催化剂活性测试方法包括：化学反应测试、光谱测试和电化学测试等。

化学反应测试是通过对催化剂在特定反应条件下的催化性能进行测试，如催化剂的转化率、选择性和反应速率等。

光谱测试是通过测量反应过程中产物的吸收或发射光谱，来确定催化剂的活性和反应机理。

电化学测试是通过在电化学电池中评价催化剂的性能，如氧化还原催化剂的电极反应活性和电催化性能等。

三、催化剂动力学研究方法催化剂动力学研究是研究催化剂表面反应动力学行为的一种方法，主要包括稳态动力学研究和瞬态反应动力学研究两种。

稳态动力学研究是通过对催化剂反应速率的测量，来确定催化剂反应动力学参数，如反应速率常数、活性中心浓度等。

瞬态反应动力学研究是通过对催化剂在瞬态反应条件下的反应动力学行为的研究，来揭示反应机理和活性中心的存在与反应路径。

四、催化剂失活机理研究方法催化剂失活机理研究是研究催化剂失活原因和机理的一种方法，常用的催化剂失活机理研究方法有：催化剂失活速率测定法、催化剂退化和再生实验、催化剂表面性质和结构分析等。

催化剂失活机理研究可以为催化剂的稳定性和寿命问题提供研究依据，为催化剂的设计和优化提供指导。

第五章相转移催化技术及应用随着新技术、新反应、新材料的不断出现，精细化工产品的合成工艺研究和改进有了更多的技术依托。

采用新技术、新反应、新材料研究产品制备工艺，改进旧工艺，提高产品收率和质量，减少“三废”产生的产生，是精细化工领域的长期课题（应用研究，工程比研究更重要）。

一、概述PTC是20世纪70年代初发展起来的催化技术，40年来有了巨大的发展。

由于PTC能使反应速度加快，产率提高，反应条件温和，以及能在非均相系统中进行，因此近年来PTC技术发展很快。

目前，已广泛应用于有机反应的绝大多数领域，同时相转移催化反应在工业上也广泛应用于化工、无机化工等行业。

近年来，相转移催化发展迅速，逆相转移催化技术，相转移催化与微波技术联用，以及相转移催化氧化脱除汽油中含硫化合物的研究，成为人们研究的一些焦点。

采用PTC技术具有如下几大优点：（1）可节约昂贵的非质子极性溶剂。

（2）在很多反应中可用NaOH、KOH等代替昂贵的NaH、LiR实现反应。

（3）具有反应快、条件温和产品产率高的优点。

（4）操作简便、安全。

实例：黄莲素生产中的甲基化反应。

采用TEBA PCT后，收率提高25%，单耗下降37%，三废减少1/3。

相转移催化剂的概念：非均相反应中，能使反应物从水相转入有机相，从而改变离子的溶剂化，增大离子的活性，加速反应的试剂，称为相转移催化剂（phase transfer catalust)。

二、相转移催化的原理分子间发生反应的前提条件——发生碰撞。

相转移催化剂的典型实例如下。

例如：溴辛烷和NaCN加热作用15天无任何反应；采用非质子极性溶剂（DMSO,DMF等）上述反应可以进行；采用相转移催化剂则上述反应容易进行。

相转移催化原理：互不混溶的二相系统，其中一相为含亲核试剂相（如NaOH,NaCN,KOH,KCN,KCl等盐、碱，多为水相），体系中会产生两个转移和平衡：A.离子交换平衡：Q+X-(水相）+M+Nu-+Nu-(水相）+M+X-(水相）B.相转移平衡：Q+Nu-+Nu-（有机相）上述平衡促进了相间物质离子（原子）的转移，从而促进了反应的进行。