催化剂工程作业

催化剂工程作业1.催化剂定义在一个反应体系中，若存在某一种物质，可使反应速率明显变化（增大或减小），而其本身的化学性质和数量在反应前后基本保持不变，这种物质叫做催化剂。催化剂可以使正催化剂，也可以是负催化剂。2.催化作用特征：（1）只能作用在热力学上可以进行的反应；2.只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡的位置，即不能改变平衡常数，k正与k逆以相同倍数增加；3.通过改变反应历程改变反应速率；4.催化剂对反应具有一定的选择性；5.催化剂具有一定的寿命。3.催化剂的组成（1）催化剂的活性组分起催化作用的根本物质，没有它就不存在催化作用，可以是一种物质，也可以是几种物质组成活性组分。（2）助催化剂本身无催化活性，少量添加助催化剂可显著改进催化剂性能（活性、选择性、耐热性、抗毒性、寿命等）；主要包括结构助催化剂，电子助催化剂，晶格缺陷助催化剂，扩散助催化剂。（3）载体为物理作用、化学作用提供活性中心。4.催化剂的性能指标活性；活性是衡量催化剂效能大小，表示催化剂加快化学反应速率程度的一种度量。选择性：这是工业生产中的一个重要指标，选择性好的催化剂对后续产品的加工分离可以省去许多繁琐耗能的步骤。稳定性：主要指化学稳定性、耐热稳定性、机械稳定性、抗毒稳定性、寿命几个方面。价格：主要考虑到工业生产和应用。5.催化剂的分类（1）按催化体系分类均相催化：所有反应物和催化剂分子分散在一个相中。均相催化剂的活性位均一，允许对催化剂的结构进行分子层次上的设计，活性和选择性往往很高，但是存在催化体系难以分离和循环使用，催化剂寿命通常较短的缺点。多相催化：反应物与催化剂处于不同相时的催化反应。在多相催化中，催化剂往往是固体。多相催化剂是利用各种载体的大量表面或孔道，将催化的活性组分高度分散并固定，机械强度和耐高温性能好，催化剂容易分离和循环使用，适合大规模工业生产，但是由于活性位不均一，活性和选择性相对较低。（2）按反应类型分类氧化还原反应：催化剂使反应物分子中的键均裂而出现不成对电子，并在催化剂的电子参与下与催化剂形成均裂键。这类反应的重要步骤是催化剂与反应物之间的单电子交换。酸碱催化反应：通过催化剂和反应物的自由电子对或在反应过程中由反应物分子的键非均裂形成的自由电子对，是反应物与催化剂形成非均裂键。6.多相催化的七个步骤（1反应物从气流主体扩散到固体催化剂的外表面（外扩散过程）（2反应物进一步向催化剂的内表面扩散（内扩散过程）（3反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程）（4吸附的反应物转化为反应的生成物（表面反应过程）（5反应物从催化剂的内表面上脱附下来（脱附过程）（6脱附下来的生成物分子从内表面向外扩散到催化剂外表面处（内扩散过程）（7生成物从催化剂外表面扩散到主体气流中被带出（外扩散过程）7.吸附现象当气体（液体）分子与固体表面接触时，由于固体表面与气体相互作用，使气体分子附着在固体表面上，导致气体在固体表面上的浓度高于它们在体相中的浓度，这种现象叫做吸附现象。8.催化剂的制备（1）机械强度（2）耐热性（3）抗毒稳定性催化剂的制备方法：沉淀法、浸渍法、离子交换法浸渍法：将载体浸泡在含有活性组分的溶液中，使溶液进入载体的孔道内部，经干燥，溶剂蒸发逸出，催化剂组分的盐类负载在载体的内外表面上，经加热分解后，即可得到负载型催化剂。离子交换法属于浸渍的一种，是利用载体表面上存在着固定而有限的交换基团，将活性组分离子交换并固定到载体上，即使洗涤也不会脱除，经干燥。煅烧、还原后得到高度分散的金属负载型催化剂。9.催化剂的表征催化剂的比表面：单位质量催化剂所具有的的表面积。针对反应，催化剂的比表面可以分为总比表面积和活性比表面积。测定比表面积常用的方法是吸附法，又可分为物理吸附法及化学吸附法。一般认为催化剂的比表面积越大，其所含有的活性中心越多，催化剂的活性也越高。催化剂的孔结构孔结构的测定内容：孔容，孔隙率，孔径，孔径分布孔可以分为微孔dp≤2.0nm介孔2.0nmdp≤50nm大孔dp50nm≥催化剂的强度：抗压强度、磨损强度、催化剂微观结构及性能的表征1.探针分子光谱技术常用红外光（λ=0.78~1000µ）谱技术、拉曼光谱技术以及UV-VIS光谱技术拉曼光谱和红外光谱是相互辅助的方法。物质的对称振动有拉曼活性而无红外活性；而非对称振动有红外活性而无拉曼活性。2.程序升温脱附技术（TPD）以碱性气体作为吸附质可以获取催化剂表面酸性质，以O2、H2、CO、H2O、乙烯等气体的TPD可以测定金属、合金、氧化物、硫化物催化剂等表面活性中心的性质。3.直接表征技术X射线电子能谱（XPS），获取信息表面组成、原子特性及键能，用于定量分析。用于固体材料分析、催化剂研究具有相当的优势：样品用量小；分析速度快；分析范围广，可以对原子序数3~92的元素进行定性和定量分析；可以给出元素态信息，进而分析出化合物组成。4.催化剂体相性质表征：元素分析技术，主要用于定性和定量分析催化剂体相各元素的组成或催化剂表面微区元素的组成，常用方法是化学分析、院子吸收光谱法（AAS）；谱学技术（IR、Raman、UV-Vis、XRD、NMR、TEM、SEM等）；热分析技术（热重TG、差热分析法DTA、差示扫描量热法DSC、TPR、TPO）XRD可以获取：催化剂的物相结构，组分含量，晶粒大小。透射电镜（TEM）可以给出分辨率优于1nm放大几十万倍的电子像。而分辨率透射电镜（HRTEM）分辨率优于0.2nm以下，晶格条纹分辨率可达0.1nm以下，可以在原子尺度直观地观察材料的微缺陷和结构。应用：物相鉴别，离子或晶粒大小及其分布测定，孔结构观察（孔形、大小及其分布）扫描电镜（SEM）：可以观察直径为0~30nm的大块试样，适用于粗糙表面和断口的分析观察。