固体催化剂的设计

化学中的催化剂选择催化剂是一种能够改变化学反应速率的物质，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化。

在化学实验和工业生产中，催化剂的选择至关重要，因为它可以显著影响反应的效率、产物质量和能量消耗。

1.催化剂的定义和特点–催化剂能够加速或减慢化学反应速率，而不参与反应本身。

–催化剂在反应前后的质量和化学性质保持不变，即“质量守恒”和“性质不变”。

–催化剂能够降低反应的活化能，从而提高反应速率。

2.催化剂的选择依据–反应类型：根据化学反应的类型（例如氧化、还原、水解等），选择具有相应活性的催化剂。

–催化剂活性：催化剂的活性越高，对反应速率的提升作用越明显。

–稳定性：催化剂在反应条件下的稳定性，包括温度、压力、湿度等因素。

–选择性：催化剂对特定反应的催化效果，以及产物种类的控制能力。

–成本效益：催化剂的生产成本和反应后的分离、回收难度。

3.常见催化剂类型–金属催化剂：如铂、钯、铑等，常用于氧化、氢化等反应。

–分子催化剂：如酶，特别适用于生物体内的化学反应。

–固体催化剂：如氧化铝、硅胶等，常用于吸附和催化脱附过程。

–液体催化剂：如酸、碱，常用于调控反应的pH值和催化特定反应。

4.催化剂的设计与合成–催化剂的设计需要基于反应机理和目标产物的要求。

–合成方法包括物理吸附、化学合成、生物合成等。

–纳米技术在催化剂设计中的应用，通过调控催化剂的尺寸和形貌来优化性能。

5.催化剂的应用领域–化学工业：炼油、合成氨、聚合反应等。

–环境保护：汽车尾气净化、废水处理等。

–医药合成：药物制备中许多关键步骤需要催化剂参与。

6.催化剂研究的挑战与发展方向–发现和设计新型高效催化剂。

–提高催化剂在极端条件下的稳定性和耐用性。

–发展绿色化学，设计和合成环境友好型催化剂。

–利用计算化学方法预测催化剂性能，实现理性设计。

催化剂的选择和使用是化学工艺中的核心问题，合理选择和使用催化剂可以提高生产效率，减少资源消耗，并有助于实现可持续发展的目标。

固体酸催化剂概述固体酸催化剂是一种在化学反应中起催化作用的固体材料。

与常见的酸催化剂（如稀酸溶液）相比，固体酸催化剂具有许多优点，如易处理、长寿命和高效性。

它们在许多重要化学反应中具有广泛的应用，包括石油炼制、有机合成和环境保护等领域。

固体酸催化剂可以提供酸性位点来促进化学反应。

这些酸性位点可以在固体表面形成，也可以由固体内部的缺陷或掺杂产生。

通过与反应物接触，酸性位点可以促使化学键的断裂和形成，从而加速反应速率。

固体酸催化剂通常具有高度活性和选择性，使其成为许多反应的理想选择。

常见的固体酸催化剂1. 硅铝酸催化剂硅铝酸催化剂是一种常见的固体酸催化剂。

它由硅和铝的氧化物组成，具有高度的酸性，可用于许多反应，如Friedel-Crafts烷基化、异构化和裂解等。

硅铝酸催化剂具有较好的催化活性和热稳定性，被广泛应用于石油炼制和有机合成领域。

2. 分子筛催化剂分子筛是一种孔隙结构有序的固体酸催化剂。

它由硅氧四面体和铝氧四面体组成的网状骨架构成，具有规则的孔道和高度分子选择性。

分子筛催化剂在许多反应中表现出色，如裂化、异构化和酯化等。

它们还可以通过选择性吸附分离分子，具有广泛的应用潜力。

3. 磷钨酸盐催化剂磷钨酸盐是一类由磷和钨元素组成的固体酸催化剂。

它们具有高度酸性和催化活性，可用于许多重要反应，如酯化、烷基化和异构化等。

磷钨酸盐催化剂在石油炼制和有机合成中具有广泛应用，并且具有较高的稳定性和可再生性。

固体酸催化剂的优点固体酸催化剂相对于液体酸催化剂具有许多优点：1.安全性：固体酸催化剂可以避免使用腐蚀性液体酸，提高反应操作的安全性。

2.稳定性：固体酸催化剂具有较高的热稳定性，可以在高温和高压下保持催化活性，延长催化剂的使用寿命。

3.选择性：固体酸催化剂可以通过调节酸性位点的性质和分布来实现对不同反应的选择性催化，提高产品的纯度和收率。

4.可再生性：固体酸催化剂可以通过再生处理来恢复催化活性，减少废物产生，具有较好的环境可持续性。

第六早 气-固相催化反应器设计本章核心内容：本章讨论的气固相催化反应反应器包括固定床反应器和流化床反应器。

在固定床反应器部分，介绍了气固相催化反应器的各种类型和固定床层的流动特性， 给出了固定床反应器的两种设计方法：经验或半经验法和数学模型法。

在流化床反应器部分，在对固体颗粒流态化现象和流态化特征参数介绍的基础上， 讨论了流化床反应器的分类和工业应用。

6-1 固定床反应器的型式反应器内部填充有固定不动的固体催化剂颗粒或固体反应物的装置，称为固定床反应器。

气态反应物通过床层进行催化反应的反应器， 称为气固相固定床催化反应器。

这类反应器除广泛用于多相催化反应外，也用于气固及液固非催化反应， 它与流化床反应器相比，具有催化剂不易跑损或磨损，床层流体流动呈平推流，反应速度较快，停留时间可以控制，反 应转化率和选择性较高的优点。

工业生产过程使用的固定床催化反应器型式多种多样，主要为了适应不同的传热要求 和传热方式，按催化床是否与外界进行热量交换来分， 分为绝热式和连续换热式两大类。

另外，按反应器的操作及床层温度分布不同来分，分为绝热式、等温式和非绝热非等温三种类型；按换热方式不同，分为换热式和自热式两种类型；按反应情况来分，分为单段式与多段 式两类；按床层内流体流动方向来分，分为轴向流动反应器和径向流动反应器两类；根据催化剂装载在管内或管外、反应器的设备结构特征，也可以对固定床催化反应器进行分类。

图6-1、6-2、6-3分别是轴向流动式、径向流动式和列管式固定床反应器结构示意图。

其中， 图6-1和图6-2所示的反应器为绝热式，图6-3所示的反应器为连续换热式。

6-1-1绝热式固定床反应器绝热式固定床催化反应器有单段与多段之分。

绝热式反应器由于与外界无热交换以及不计入热损失，对于可逆放热反应， 依靠本身放出的反应热而使反应气体温度逐步升高； 催化床入口气体温度高于催化剂的起始活性温度，而出口气体温度低于催化剂的耐热温度。

兰州石化职业技术学院课时计划编制日期：年月日第二章催化剂的制备、表征及使用技术第一节催化剂的制备方法一、天然资源的加工加工天然硅铝酸盐，如膨润土、硅藻土、羊甘土、蒙脱土及高岭土等。

为实现某一特定催化反应，加工时应采用不同的方法和条件。

如裂解反应用的活性白土，就使用蒙脱土或高岭土经酸处理而得，酸处理中黏土结构发生一定的变化而产生酸性质。

二、沉淀法沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之一，广泛用于制备高含量非贵金属、金属氧化物、金属盐催化剂和载体。

沉淀法的一般操作是在搅拌情况下把沉淀剂加入到金属盐类的水溶液中，生成沉淀物质，再将后者过滤、洗净、干燥和焙烧，制得相应的催化剂粉状前驱物。

（一）金属盐类和沉淀剂的选择1.金属盐的选择原则金属盐一般首选硝酸盐来提供无机催化剂材料所需的阳离子；金、铂、钯等贵金属不溶于硝酸，但可溶于王水。

溶于王水的贵金属，经加热驱赶硝酸后可得相应金属氯化物，这些氯化物的浓盐酸溶液，即为相应的氯金酸、氯铂酸、氯钯酸等，可以获得相应的阳离子。

2.沉淀剂选择原则合适的沉淀剂是沉淀剂工艺重要环节。

选择原则如下：（1）尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂。

常用的沉淀剂有氨气、氨水和铵盐(如碳酸铵、醋酸铵、草酸铵)、二氧化碳和碳酸盐(如碳酸钠、碳酸氢铵)、碱类(如氢氧化钠、氢氧化钾)以及尿素等。

（2）沉淀便于过滤和洗涤。

沉淀可以分为晶形沉淀和非晶形沉淀，晶形沉淀中又细分为粗晶和细晶。

晶形沉淀带入的杂质少，也便于过滤和洗涤，特别是粗晶粒。

因此，应尽量选用能形成晶形沉淀的沉淀剂。

盐类沉淀剂原则上可以形成晶形沉淀，而碱类沉淀剂都会生成非晶形沉淀；（3）沉淀剂自身的溶解度要足够大。

溶解度大的沉淀剂，可能被沉淀物吸附的量较少，洗涤脱除残余沉淀剂等也较快。

这种沉淀剂可以制成较浓溶液，沉淀设备利用率高。

（4）沉淀物的溶解度应很小。

沉淀物溶解度愈小，沉淀反应愈完全，原料消耗量愈少，这对于铝、镍、银等贵重或比较贵重的金属特别重要。

固体催化剂的作用和分类固体催化剂是一种可以加速化学反应的化学物质。

它们可以提高反应速率、降低反应温度、改善反应选择性，并且能够重复使用。

固体催化剂主要应用在工业领域，如炼油、化肥生产、制药、食品加工等。

1. 硅基催化剂：硅基催化剂广泛应用于各个领域，如炼油、化肥生产、塑料生产等。

硅基催化剂主要由二氧化硅、氧化铝、氧化钙等物质制成，具有高的表面积和孔隙度，可以提高反应物分子与催化剂之间的接触率。

2. 金属催化剂：金属催化剂是由金属和其他化学物质组成的化合物。

金属催化剂在炼油、汽车排放控制、化学合成等领域都有广泛应用。

其中，铂、钯、铑、钌等催化剂是常用的金属催化剂。

3. 生物催化剂：生物催化剂主要由酶和微生物制成，可以应用于化学生产、医药制备、食品加工等领域。

生物催化剂具有高效、特异性强、底物选择性高等特点，并且是一种环保的催化剂。

1. 加速反应：固体催化剂通过提高反应物分子之间的接触率和反应能量，从而加速化学反应速率。

例如，炼油和化肥生产中常使用的固体催化剂，可以加快化学反应，降低反应温度和压力，提高产品质量和产量。

2. 改善选择性：固体催化剂可以改善反应的选择性，使得产物中所需化合物的含量更高，不需要重新处理产物。

例如，生产乙醇时，催化剂可以帮助选择性地将二氧化碳转化为乙醇。

3. 促进热平衡：使用固体催化剂可以促进反应体系的热平衡，从而降低反应温度和压力，减少能源消耗和生产成本。

4. 环保：使用催化剂可以减少有害物质和废弃物的生成，减少空气、水体和土壤的污染，保护环境和人类健康。

综上所述，固体催化剂是一种在工业化生产过程中广泛应用的化学物质。

它们可以提高化学反应速率和选择性，节约能源和降低成本，保护环境和人类健康。

同时，随着科学技术的不断发展，固体催化剂的作用和应用也将不断发展和完善。

催化剂形状设计
催化剂形状的设计是根据催化反应的需求和催化剂的特性来确定的。

以下是一些常见的催化剂形状设计：
1. 球形：球形催化剂具有较高的表面积和均匀的孔隙结构，有利于反应物质的扩散和接触，提高催化反应的效率。

2. 多孔结构：多孔结构的催化剂具有更大的表面积和更多的活性位点，可以增加反应物与催化剂的接触面积，提高反应速率。

3. 纤维状：纤维状催化剂具有高比表面积和良好的吸附性能，可以增加反应物在催化剂表面的吸附量，促进催化反应的进行。

4. 薄膜状：薄膜状催化剂可以提供均匀的反应界面，并且有利于反应物的扩散和转化，适用于一些表面反应。

5. 纳米颗粒：纳米颗粒催化剂具有较小的粒径，可以提供更多的活性位点，增强催化反应的效果。

在催化剂形状设计中，需要考虑催化剂的稳定性、活性位点的暴露程度、反应物与催化剂的质量传递等因素，以实现高效、稳定的催化反应。

62氨硼烷水解制氢反应催化剂的设计与制备周花杰 宿迁子渊司法鉴定所【摘 要】氢能因其绿色清洁的特点引起人们的高度关注，而储氢和制氢仍是一个亟待解决的重要课题。

本文探究基于 MOFs材料制备的氮掺杂 Co/C金属颗粒催化剂，催化 氨硼烷（AB ）水解性能良好，拓展了 MOFs 在储氢中的应用。

【关键词】Co纳米颗粒；氨硼烷；催化水解；制氢一、综述与其他碳氢燃料相比，单位质量的氢含有142MJ kg -1的化学能。

氢能有利于解决能源危机，有利于缓解化石燃料的使用带来的环境污染问题，具有燃值高、可再生、无污染等优点，但氢能存储和氢气生产技术的工业化以及高效存储问题仍是一个巨大的挑战，要使“氢经济”尽快成为现实，探索安全高效、成本低廉的制氢储氢技术势在必行。

1.氢能特点：氢主要以化合态形式存在，取材广泛且清洁环保。

为此氢能作为一种新能源所具有的优势如下：轻质元素、绿色环保、燃烧热值高、来源广泛、利用形式多。

2.制氢技术：随着社会的进步和市场需求的发展，寻求一种大规模的高效廉价的制氢技术已成为必然。

现有制氢技术如下：水电解制氢、化石燃料制氢、生物制氢、太阳能制氢。

3.储氢技术：氢能源的发展需要规模廉价环保的制氢技术，同时也需要便携式安全高效的储氢技术。

目前的储氢方法有以下两种分别为：物理储氢和化学储氢。

4.氨硼烷（AB）的理化性质：1955年，Shore和Pany[1]合成了氨硼烷，它是一种B．N．H化合物，分子式为NH 3BH 3，分子量为30.865。

在 0 ℃，101.325 K P a 下，氨硼烷（A B ）是一种白色固体，不易燃不易爆，熔点 104 ℃，易溶于水，在水中溶解度为 33.6g。

AB分子间能够形成氢键，具有较强的极性，成头尾相连的四聚物结构，不同于其他配位金属氢化物。

室温下AB分子为四方晶体B-N为1.648 Å，B–H 为1.206 Å，N–H 为 1.017 Å。

环境友好型催化剂的设计与开发催化剂在许多化学工业过程中起着至关重要的作用。

然而，传统的催化剂往往具有环境污染和资源消耗的问题，因此，设计和开发环境友好型催化剂是当前研究的热点之一。

本文将着重探讨环境友好型催化剂的设计原则、发展趋势以及相关的研究成果。

设计环境友好型催化剂的第一原则是降低或消除有毒重金属的使用。

传统的催化剂往往使用含有铂、钼、铑等金属的化合物作为活性成分，这些重金属在催化反应过程中不仅容易引起环境污染，还存在资源匮乏的问题。

因此，研究人员开始探索替代性的催化剂，如非贵金属催化剂、过渡金属催化剂等。

这些催化剂不仅具有类似的催化活性，而且能够降低对昂贵和有限资源的依赖，从而实现环境友好型催化剂的设计与开发。

其次，在设计环境友好型催化剂时，需要考虑选择和设计合适的载体材料。

传统的催化剂往往使用氧化铝、二氧化硅等固体粒子作为载体，但这些材料在制备过程中消耗大量的能源，同时也会产生大量的废水和废气，对环境造成严重影响。

因此，研究人员开始探索使用新型的载体材料，如金属有机骨架材料、生物基材料等。

这些新型载体不仅能够提供催化活性位点，还能够降低制备能耗和废物产生，实现环境友好型催化剂的设计与开发的目标。

此外，环境友好型催化剂的设计还需要考虑反应条件的优化。

传统的催化剂往往需要严苛的反应条件，如高温、高压等，这会导致能源的大量消耗和环境的污染。

因此，研究人员开始研究和开发新型的催化剂，能够在温和条件下实现高催化活性和高选择性。

例如，开发利用可再生资源作为原料的催化剂，如生物质催化转化技术、太阳能光催化技术等，这些技术能够实现能源的可持续利用，减少对化石能源的依赖。

在环境友好型催化剂的设计与开发过程中，合理的催化剂表面结构设计也是关键的一步。

催化剂的活性位点分布和表面形貌能够直接影响其催化性能。

因此，通过调控催化剂的晶结构、表面性质以及杂质元素的掺杂等手段，可以有效提高催化剂的活性和稳定性。

例如，设计具有高表面活性位点密度的纳米催化剂、调控催化剂的晶面、形貌和尺寸等。

全固体受阻路易斯酸碱对的设计与构建李隽【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2017(033)011【总页数】2页(P2113-2114)【作者】李隽【作者单位】清华大学化学系,北京100084【正文语种】中文受阻路易斯酸碱对(Frustrated Lewis Pairs，FLPs)是均相催化领域一类新型的非金属有机催化剂，因其在氢气和二氧化碳等惰性小分子的活化转化方面具有极高的活性，近年来引起了学术界的高度关注1–4。

FLPs一般由分子内或分子间的一对路易斯酸和路易斯碱构成，但由于空间配位受阻使这两个位点不能形成传统的路易斯酸碱化合物，从而表现出一些特殊的化学性质和催化活性。

但是，均相FLPs具有制备过程复杂、稳定性差、难以循环使用等缺点，严重制约其在大规模催化反应中的应用，因而开发具有FLPs活性位的固体催化剂，从而实现均相FLP的多相化，成为当今催化科学领域研究的热点之一。

最近，西安交通大学瞿永泉课题组与常春然课题组合作，提出了通过调控二氧化铈表面的氧空穴构建全固体FLP活性位的新途径，并且实现了烯烃和炔烃化合物的高效加氢转化，相关结果发表在Nature Communications上5。

理论计算研究表明，在CeO2表面通过调控氧空穴的位点和浓度，可以设计出符合FLP定义的位点，该位点由氧空穴附近的两个正三价铈原子(Lewis酸)和一个氧原子(Lewis碱)构成(图a)。

另一方面，实验上通过两步水热法合成出具有高氧空穴浓度的多孔二氧化铈纳米棒(图b)6,7，为构造表面FLPs提供了条件和可能，经实验证实该材料具有高效的催化不饱和烃加氢活性(图b)。

通过分别加入酸碱位点捕获剂，证明该材料只有同时存在Lewis酸和Lewis碱位点时才具有高的催化加氢活性。

同时，构建的FLPs活性位点的数目与CeO2表面的氧空穴的浓度具有正相关关系(图c)。

理论计算进一步表明，H2分子在所构建的FLP活性位点上活化经历一个异裂过程，分解产生的两个氢原子分别与FLPs的Ce和O原子结合，反应势垒仅有0.17 eV (图d)。