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催化剂的种类和作用催化剂，在化学领域中扮演着重要的角色。
它们是能够加快反应速度、降低活化能的特殊物质，使得化学反应在较低温度和较短时间内发生。
催化剂的种类繁多，常见的有金属催化剂、酶催化剂和酸碱催化剂等。
每种催化剂都有各自的特点和应用领域。
1. 金属催化剂金属催化剂是最常见的一种催化剂。
金属催化剂可以分为均相催化和非均相催化。
均相催化是指催化剂和反应物在同一相中，常见的金属有铂、钯、铑等。
非均相催化是指催化剂和反应物在不同相中，常见的金属有氧化铝、钛、锰等。
金属催化剂广泛应用于催化剂合成、石化、环境保护等领域。
2. 酶催化剂酶催化剂是生物体内催化反应的关键成分，它们能够降低活化能，加速反应速率。
酶由特定的蛋白质组成，结构复杂而有序，具有高度专一性和高效率。
酶催化剂广泛应用于生物工程、食品加工、医药等领域。
3. 酸碱催化剂酸碱催化剂常用于酸碱中和反应、酸碱催化反应等。
酸催化剂能够提供氢离子，而碱催化剂则能够提供氢氧根离子。
酸碱催化剂通过改变反应物的电荷分布和反应物之间的亲核性或电子云分布，来加速反应速率。
酸碱催化剂广泛应用于石化行业、有机合成等领域。
4. 氧化剂和还原剂氧化剂和还原剂分别在氧化反应和还原反应中起到催化作用。
氧化剂能够获取电子而氧化其他物质，而还原剂能够释放电子而被氧化。
氧化剂和还原剂常被用于电子工业、电池制造等领域。
5. 光催化剂光催化剂是指吸收光能后能够催化反应的物质，它们常常是半导体材料。
光催化剂能够将光能转化为化学能，从而引发光催化反应，如光解水、光催化氧化等。
光催化剂在环境污染治理、水处理、能源转化等领域有着广泛的应用。
综上所述，催化剂是一类能够加速化学反应的物质。
不同种类的催化剂在不同的领域有着重要的应用。
金属催化剂在催化剂合成、石化和环境保护领域发挥着重要作用；酶催化剂在生物工程、食品加工和医药领域有广泛应用；酸碱催化剂在酸碱反应和催化反应中起到关键作用；氧化剂和还原剂广泛应用于电子工业和电池制造等领域；光催化剂能够利用光能催化反应，在环境污染治理和能源转化方面有着潜力。
金属催化剂1. 简介金属催化剂是一种在化学反应中促使反应速率提高的物质。
它们通常是由一种或多种金属元素组成的。
2. 催化原理金属催化剂通过提供活性位点或改变反应物分子的构型来加速化学反应。
它们可以通过吸附反应物分子并使其发生反应，或者通过提供必要的电子来降低反应的能垒。
金属催化剂还可以通过提供适当的环境条件来改变反应物分子的化学性质。
3. 金属催化剂的应用金属催化剂在许多化学反应和工业过程中发挥着重要作用。
它们被广泛应用于有机合成、催化加氢、氧化还原反应和氧气活化等领域。
3.1 有机合成金属催化剂在有机合成中起着关键作用。
它们可以催化碳－碳键的形成，并促使复杂有机分子的合成。
常用的金属催化剂包括铂、钯、铑等。
3.2 催化加氢金属催化剂可以用于加氢反应，即将氢气与反应物进行反应，通常用于饱和、环化、脱氧等反应。
常用的催化剂包括铂、钯、铑等。
3.3 氧化还原反应金属催化剂在氧化还原反应中也发挥着重要作用。
它们可以促进氧化反应和还原反应的进行，并改变反应物的价态。
常见的金属催化剂有铁、钼、铬等。
3.4 氧气活化氧气活化是一种能让氧气参与反应的过程，金属催化剂在该过程中发挥着重要作用。
金属催化剂可以催化氧气的活化，从而促进一系列反应的进行，如氧化、羧化、氢氧化等。
常见的金属催化剂有铁、锰、铜等。
4. 金属催化剂的分类金属催化剂可以按照不同的方式进行分类，常见的分类方法有以下几种：4.1 过渡金属催化剂过渡金属催化剂是由过渡金属元素组成的催化剂，如铁、铜、锌等。
它们通常具有较高的催化活性和选择性。
4.2 贵金属催化剂贵金属催化剂是由贵金属元素组成的催化剂，如铂、钯、铑等。
由于其高昂的成本，贵金属催化剂通常用于高端领域，如医药合成。
4.3 还原性金属催化剂还原性金属催化剂是能够参与氧化还原反应并发生氧化还原变化的金属催化剂。
它们通常可以提供或接受电子，以改变反应物的价态。
5. 金属催化剂的优势和挑战金属催化剂具有以下优势：•高效性：金属催化剂可以有效催化化学反应，使其速率显著提高。
金属催化剂概述金属催化剂是一种在化学反应中起催化作用的金属物质。
金属催化剂在许多重要化学反应中起到关键的作用，例如有机化学合成、环境保护、能源转换等领域。
金属催化剂具有高活性、选择性和稳定性的特点，使其在各种反应中具有广泛的应用潜力。
催化原理金属催化剂通过提供活性位点来降低反应的活化能，从而加速反应的速率。
金属催化剂通常以金属离子的形式存在，而金属离子能够在活性位点上吸附反应物，并参与反应的中间步骤。
金属离子可以通过调整反应物的电子结构、提供活性基团或吸附反应物来促进反应的进行。
金属催化剂的活性和选择性取决于其表面的活性位点。
不同的金属催化剂具有不同的表面活性位点，因此在不同的反应中具有不同的催化活性和选择性。
金属催化剂的表面活性位点可以通过控制催化剂的组成、结构和形貌来调控。
常见金属催化剂铂族金属铂族金属是最常见的金属催化剂之一。
铂族金属包括铂、钯、铑、钌、铱和铅等元素。
这些金属催化剂具有良好的催化活性和选择性，在有机合成、燃料电池等领域得到广泛应用。
例如，铂催化剂常用于氧化反应、加氢反应和羰基化反应等有机合成反应中。
过渡金属除了铂族金属外，过渡金属也是常见的金属催化剂。
过渡金属包括铁、镍、钼、铬等元素。
过渡金属催化剂具有丰富的电子结构和多样的催化中心，因此在多种有机合成反应中表现出良好的催化活性和选择性。
例如，铁催化剂在氧化反应、还原反应和氢化反应中显示出优异的催化性能。
单原子合金单原子合金是一种由单个金属原子和零维催化剂组成的材料。
单原子合金以其高催化活性和高选择性而备受关注。
单原子合金能够提供丰富的活性位点，并且具有优异的催化性能。
单原子合金可用于氧化反应、还原反应、催化裂化等许多反应中。
应用领域金属催化剂在各个领域都有广泛的应用。
以下是金属催化剂在一些重要领域的应用案例：有机合成金属催化剂在有机合成中起到重要作用。
例如，铂催化剂可用于有机氧化反应和有机加氢反应。
过渡金属催化剂可用于碳—碳键形成反应、选择性催化还原反应等。
第六章 半导体催化剂的催化作用及光催化原理
第六章 半导体催化剂的催化作用及光催化 原理 ? 本章主要内容： ? 半导体的能带结构及其催化活性 ? 从能带结构出发，讨论催化剂的导电性能、逸出功与催化活性的关 系 ? 半导体多相光催化原理 金属氧化物与金属硫化物催化剂概述 过渡金属氧化物与过渡金属硫化物有许多相似之处，多为半导体型化合物。 作为氧化用的过渡金属氧化物催化剂主要催化反应类型是烃类的选择性氧化和NOx的还原等；
作为催化剂的多为过渡金属硫化物，如Mo、W、Ni、Co、Fe等的金属硫化物具有加氢、异构、氢解等催化活性，用于油品的加氢精制；加氢脱硫(HDS)、加氢脱氮(HDN)、加氢脱金属(HDM)等过程。
半导体的能带结构及其催化活性 过渡金属氧化物、硫化物(半导体)催化剂 过渡金属氧化物、硫化物催化剂多属半导体类型，本章用半导体能带理论来说明这类催化剂的催化特性。将半导体的导电性能、电子逸出功与催化活性相关联，解释解释这类催化剂的催化作用。 固体的能带结构
原子核周围的电子是按能级排列的。例如1S，2S，2P，3S，3P……内层电子处于较低能级，外层电子处于较高能级。
固体是由许多原子组成的，固体中许多原子的电子轨道发生重叠，其中外层电子轨道重叠最多。由于这种重叠作用，电子不再局限于在一个原子内运动，而是在整个固体中运动，这种特性称为电子的共有化。
但重叠的外层电子也只能在相应的轨道间转移运动。例如3S引起3S共有化，形成3S能带；2P轨道引起2P共有化，形成2P能带。 禁带、满带或价带 、空带或导带 3S能带与2P能带之间有一个间隙，其中没有任何能级，故电子也不能进入此区，称之为禁带 ；
下面一部分的能级组成一个带，一般充满或部分充满价电子，称为满带或价带； 上面一部分的能带也组成一个带，在基态时往往不存在电子，只有处于激发态时才有电子进入此带，所以称为空带，又叫导带 ；
第六章 金属催化剂催化作用 章节分配 一、金属催化剂重要类型及重要催化反应示例 二、乙烯环氧化催化作用 1. 乙烯环氧化工业催化剂 2. 乙烯环氧化反应机理 3. 乙烯环氧化中助催剂、促进剂的作用及新型催化剂 三、氨合成催化剂催化作用 1. 合成氨催化剂简况 2. 熔铁催化剂的结构 3. 各种助剂的作用及含量的最佳值范围 4. 氨合成铁催化剂活性中心模型及其作用机理 四、烃类催化重整催化剂作用原理 1. 催化重整反应及重整催化剂 2. 烃类在过渡金属上的吸附态及烃类脱氢 3. 催化重整作用机理 五、其他重要类型金属催化剂简介 1. 镍系催化剂 2. 裂解气中炔烃选择加氢催化剂 六、金属催化剂的电子迁移、d空穴与催化活性 七、多位理论的几何因素与能量因素 八、对多位理论及电子理论的评价
金属催化剂是固体催化剂中研究得最早、最深入，同时也是获得最广泛应用的一类催化剂，例如，氨的合成(Fe)和氧化(Pt)，有机化合物的加氢(Ni，Pd，Pt，等)、氢解(Os, Ru，Ni，等)和异构(Ir，Pt，等)，乙烯的氧化(Ag)，CO的加氢(Fe，Co，Ni，Ru，等)以及汽车尾气的净化(Pt，Pd，等)等等。其主要特点是具有很高的催化活性和可以使多种键发生开裂。 (1) 自从上世纪P．Sabatier发现金属镍可催化苯加氢生成环己烷以来，迄今除金属催化剂以外，尚未发现过能催化这一反应的其它类型催化剂．又如，乙烷氢解对金属催化剂来说并非难事．然而除金属催化剂之外，也末发现可使乙烷加氢分解的别种催化剂，另外，如众所周知，F—T合成也只有在金属催化剂上才能进行等等．那么，金属催化剂之所以具有这种高的活性，其内在因素是什么? (2)所有金属催化剂几乎都是过渡金属，而且，金属催化剂的功能又都和d轨道有关，这是为什么? (3)当过渡金属催化剂按其活性排列时，对每个反应都有自己独有的序列，即使对每类反应，至今也未发现它们有相同的序列，什么是决定这种序列的内在因素? (4)对一个反应来说，为什么同类金属又常常有明显不同的选择性? (5)对某些反应来说，单位表面积的催化活性决定于金属的晶面、金属晶粒的大小(如果金属是负载着的)，载体以及制法，为什么对活性有这种差别?又怎样和反应相联系? (6)由两种金属制成的合金催化剂，其催化功能随组分有强大变化，而且又明显地取决于所研究的反应，产生这些效果的原因是什么?
表6-1 金属催化剂类型(按制备方法划分) 催化剂类型 催化剂用金属 制造方法特点
还原型 Ni, Co, Cu, Fe 金属氧化物以H2还原 甲酸型 Ni, Co 金属甲酸盐分解析出金属 Raney型 Ni, Co, Cu, Fe 金属和铝的合金以NaOH处理，溶提去铝 沉淀型 Ni, Co (1)沉淀催化剂:金属盐的水溶液以锌末使金属沉淀; (2)硼化镍催化剂:金属盐的水溶液以氢化硼析出金属. 铬酸盐型 Cu (Cr) 把硝酸盐的混合水溶液以NH3沉淀得到的氢氧化物加热分解 贵金属 Pd, Pt, Ru, Rh, Ir, Os (1)Adams型:贵金属氯化物以硝酸钾熔融分解生成氧化物; (2)载体催化剂:贵金属氯化物浸渍法或络合物离子交换法,然后用H2还原. 热熔融 Fe 用Fe3O4及助催剂高温熔融,在H2或合成气下还原
一、金属催化剂的特征 金属催化剂和均相金属配合物催化剂相对比，有下面最具特征的事实。 (一)有裸露着的表面，这一事实包含着以下三种含义： 1、前已述及，配合物中心金属的配位部位可以为包括溶剂在内的配体所全部饱和，而对具有界面的固体金属原子来说，至少有一个配位部位是空着的。 2、金属配合物在溶液中总是移动着的，而且可互相碰撞，以至在配体之间发生交换并保持一种微观的动态上的平衡．但是，固体表面的金属原子则是相对固定的，不能相互碰撞，因此，从能量上来说，处于各种各样的亚稳状态． 3、配体的性质不同，在固体金属中，金属原子四周的邻接原子——配体都是相同的金属原子本身，因此，与此相关的热力学上的稳定性也就不同． (二)金属原子之间有凝聚作用．和上述3有关，在金属中，金属原子之间有相互凝聚的作用．这是金属之所以具有较大导热性、导电性、展延性以及机械强度等的原因，同时，也反映了金属原子之间化学键的非定域性质。 金属的这种非定域性质使其获得了额外的共轭稳定化能，从而在热力学上具有较高的稳定性．所以金属是很难在原子水平上进行分散的．下面是一些实验事实。 1、金属原子尽管在适当配体作用之下，可以避免进一步凝聚而形成所谓的原子簇化合物．金属原子簇化合物如本书第五章所述，从其结构化学以及化学键理论来看，可以看作金属催化剂的模型，但是，从含底物的催化体系的热力学稳定性的观点加以分析，那么，它和真正的金属催化剂有着明显的区别。 2、金属原子通过金属键凝聚达到稳定的原动力，就在于金属原子之间有很强的集合在一起的倾向，这从金属的原子化热远大于相似配合物的键能得到证明。 3、在由浸渍法制取金属载体催化剂时，可以清楚地看到，原来的金属离子，是在分散状态下被还原成金属原子的；在还原过程中，生成的金属原子确实具有甩开载体而相互吸引的凝聚力。 4、以“相”的形式参与反应。当固体金属显示出有催化活性时．金属原子总是以相当大的集团，而不是像配合物催化剂那样以分子形式与底物作用，也就是说，金属是以相当于热力学上的一个“相‟的形式出现的．这是金属催化剂在热力学上的又一特征。 在催化反应中，由于金属具有上述的非定域化作用，所以，诸如金属的颗粒大小，金属晶面的取向，晶相的种类以及关系到这些性质的制备方法，都对催化剂的性质有明显的影响。 通过以上对固体金属催化剂和金属配合物催化剂的对比，金属催化剂的特征可概括为：
二、过渡金属表面上的表面“配合物” 过渡金属及其氧化物与过渡金属配合物催化性质之间的相似性已被引起广泛的注意。例如它们都能催化有氢和烯烃参与的反应， 从上述这些类似性已可以得出以下结论：过渡金属及其化合物的吸附和催化活性应有同一原因，显然，催化活性是由化学吸附分子和过渡金属表面上的单个原子借助于d轨道形成表面“配合物”而产生的．例如前一章描述的过渡金属氧化物的情况也与此类似．至于说到金属的高导电性，那么，这个性质当然在某些情况下可以保证“使吸附分子带有应有的电荷，并使氧化—还原过程易于进行”，然而它并非过渡金属催化剂作用的根本原因。 三、金属催化剂的电子送移、d空穴与催化活性 金属原子中的价电子在原子间高度公共化．用化学键的观点来说，就是金属原子间所构成的化学键是个特大的共扼体系，电子云高度离域化。由此就提出一个问题，作为多相催化作用第一步的化学吸附，它在表面上虽然是与一个或几个原子作用，但是因为原子间的化学键彼此沟通，这种金属聚集态的性质，在多大程度上影响了化学吸附？ 既然价电子在原子间沟通，整块金属晶粒就应看成为一个整体．可以认为，化学吸附是作用物(反应物)与催化剂间的电子迁移过程．催化剂的电子能级及电子占有状态，可借用固体物理过程中的能带论来讨论。 按金属与作用物双方的最高电子占有能级及最低末填充能级的相对位置，决定电子由金属流向作用物(负离子吸附)，或者由作用物流向金属(正离子吸附)，或者两者共享电子对，形成共价吸附。 曾进行一些实验来验证这种模型．例如测定气体在金属膜(如W、Ta、Pt等)吸附后的输出功、膜电阻、磁化率等性质的变化。其大致结果如表6-3所示。 对CO、N2O而言，说明电子迁移方向是从金属催化剂到作用物．但对H2、O2而言，出现某些不一致的情况。 又如NH3的同位素交换反应：D2 + NH3 NH2D + HD，其反应活性与输出功的关系，如图8—l 6所示．从图中可看出，线性关系不好．看来，单纯用电子迁移能力，不可能真实反映客观情况． 这是因为催化作用是一种化学作用，应当注意作用时的轨道的方向与对称性。 起先，曾将过渡金属的d状态与催化活性进行关联．固体物理能带论描述过
渡金属的d状态是采用所谓的“d空穴”概念。例如Ni原子的外层电子为3d84s2，当Ni原子互相接近，组成金属固体时，由于s带变宽，s电子部分填充在3d带中．这样，每个原子平均有9.4个电子在3d带中，0.6个电子在4s带中．d带本来可填充10个电子，所以仍有0.6个空穴，称为d带空穴．如图8—17所示． d带空穴愈多，说明末配对的d电子愈多，其呈现的磁化率愈大．Cu原子比Ni原子多一个电子，其外层电子是3d104s1，如在Ni金属中掺人Cu，组成Cu—Ni合金，则将使Ni的d空穴下降，其磁化率也就随之下降。
图6-1 NH3, D 同位素交换反应的活化能与功函数的关系
用骨架型Ni-Cu催化剂对苯加氢，大体说来，催化活性与磁化率有平行的关系。表明d穴对此催化反应有利(不过，反应速度实际上是与表面镍浓度有关．而合金的表面组成服从降低表面能的热力学原则，与体相组成相差很大。 对苯乙烯加氢，采用Ni-Cu催化剂，也表明d穴对此反应有利．当用纯Ni时，d穴最多，活性也最大．当用Fe-Ni时，d穴虽比纯Ni更多，但实验表明，Fe含量愈大，催化活性反而降低．这说明d穴也不宜过多，过多则吸附太强，不利于进一步反应．这些实验事实，采用d电子状态来关联催化活性，比之单纯用电子迁移能力已有所进步． Pauling用另一种办法来描述d状态．他认为金属原子间的化学键轨道，可以由d轨道参与的杂化轨道所组成，d轨道参与的成分越多，则这种金属键的d成分也越多．他称这种金属键中的d成分为d特征百分数．化学吸附主要是与末参与金属键的d轨道作用，所以，d特征百分数越大，参与化学吸附的d轨道就越少．实际上，d特征百分数是和d空穴互为倒数关系的一种衡量办法． 应用d特征百分数概念来解释前述NH3与D2同位素交换的实验事实，其线
