精細化學—催化劑

1、 催 化 劑12級應用化學催化劑簡述/ abstract概述 / outline01催化作用/catalytic02催化劑特點/characteristics 03催化劑類型/type04催化劑基本性能/ properties 05 有一天，瑞典化學家有一天，瑞典化學家貝采里烏斯貝采里烏斯在化學在化學實驗室實驗室忙碌忙碌地地進行著實驗進行著實驗，傍晚，他的妻子瑪利亞準備了酒菜，傍晚，他的妻子瑪利亞準備了酒菜宴請宴請親友親友，祝賀她的生日。貝采里烏斯沉浸在實驗中，把這，祝賀她的生日。貝采里烏斯沉浸在實驗中，把這件事全忘了，直到瑪麗亞把他從實驗室拉出來，他才恍件事全忘了，直到瑪麗亞把他從實驗室拉出

2、來，他才恍然大悟，匆忙地趕回家。一進屋，客人們紛紛舉杯向他然大悟，匆忙地趕回家。一進屋，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當他。當他自己斟滿第二杯酒干杯時，卻皺起眉頭喊道：自己斟滿第二杯酒干杯時，卻皺起眉頭喊道：“瑪利亞，瑪利亞，你怎么把你怎么把醋拿給我喝醋拿給我喝！”瑪利亞和客人都愣住了?，旣惉斃麃喓涂腿硕笺蹲×恕，旣悂喿屑毲浦瞧孔?，還倒出一杯來品嘗，一點兒都沒錯，亞仔細瞧著那瓶子，還倒出一杯來品嘗，一點兒都沒錯，確實是香醇的蜜桃酒?。∝惒衫餅跛勾_實是香醇的蜜桃酒??！貝采里烏斯隨手把自己倒的那隨手把自己倒的那杯酒遞過去杯

3、酒遞過去，瑪麗亞喝了一口，幾乎全吐了出來，也說：，瑪麗亞喝了一口，幾乎全吐了出來，也說：“甜酒怎么一下子變成醋酸甜酒怎么一下子變成醋酸啦？啦？”客人們紛紛湊近來，客人們紛紛湊近來，觀察著，猜測著這觀察著，猜測著這“神杯神杯”發(fā)生的怪事。發(fā)生的怪事。Jons Jakob Berzelius催化劑最早由催化劑最早由瑞典化學家貝采里烏斯瑞典化學家貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)。100100多年前，有個魔術多年前，有個魔術“神杯神杯”的故事。的故事。貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)，原來貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)，原來酒杯里有少量黑色粉末酒杯里有少量黑色粉末。他瞧。他瞧瞧自己的手，發(fā)現(xiàn)手上沾滿了在實驗室研磨白金時給瞧自己的手，發(fā)現(xiàn)手上沾滿了

4、在實驗室研磨白金時給沾上的沾上的鉑黑鉑黑。他興奮地把那杯酸酒一飲而盡。原來，。他興奮地把那杯酸酒一飲而盡。原來，把酒變成醋酸的魔力是來源于白金粉末，是它加快了把酒變成醋酸的魔力是來源于白金粉末，是它加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，生成了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，生成了醋酸醋酸。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用或催化作。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用或催化作用，希臘語的意思是用，希臘語的意思是“解去束縛解去束縛”。18361836年，他還在物理學與化學年鑒雜志上發(fā)表了年，他還在物理學與化學年鑒雜志上發(fā)表了一篇論文，首次提出化學反應中使用的一篇論文，首次提出化學反應中

5、使用的“催化催化”與與“催化劑催化劑”概念。概念。Jons Jakob Berzelius催化劑最早由瑞典化學家貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)。催化劑最早由瑞典化學家貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)。100100多年前，有個魔術多年前，有個魔術“神杯神杯”的故事。的故事。1. 1.簡述簡述 根據(jù)國際純粹化學與應用化學聯(lián)合會根據(jù)國際純粹化學與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)1981(IUPAC)1981年的定義：年的定義：催化劑催化劑是一種改變反應速率但不改變反應總標準吉布斯自由能的物質。是一種改變反應速率但不改變反應總標準吉布斯自由能的物質。 催化劑是一些化學反應實現(xiàn)工業(yè)應用的關鍵，是化學工藝的基礎。新的催化劑，可確立新的反應途徑

6、，建立新的工藝過程。催化劑的選擇性可以從根本上減少或消除副產物的產生。這正是目前人們最大限度地利用資源、減少污染，保護生態(tài)環(huán)境所要采用的化學工藝過程。 催化劑對反應或產物的選擇性，可帶來巨大的經濟效益。據(jù)統(tǒng)計，約有90%以上的工業(yè)過程中使用催化劑，如化工、石化、生化、環(huán)保等。在化工過程中使用的催化劑的經濟價值，不在于它本身的價格，而是由它的應用所產生的品種繁多的產品的價值，而催化劑簡化工藝，消除污染所創(chuàng)造的價值，更是難以用數(shù)字估算。2. 2.催化作用催化作用一般說催化劑，指的是正催化劑。使化學反應加快的催化劑，叫做正催化劑；使化學反應減慢的催化劑，叫做負催化劑。催化劑并不會在化學反應中被消耗掉

7、。不管是反應前還是反應后，它們都能夠從反應物中被分離出來。不過，它們有可能會在反應的某一個階段中被消耗，然后在整個反應結束之前又重新產生。催化劑能加速化學反應速度是因為它的介入降低了反應所需的活化能。催化劑與底物作用形成中間物，在該中間物中底物已被活化，反應始態(tài)和終態(tài)的位能結構發(fā)生了變化，從而使反應有可能以活化能低的途徑進行。催化反應動力學一、催化反應原理：催化劑：可明顯改變化學反應速率，而本身在反應前后的化學性質和數(shù)量均不發(fā)生變化的物質。催化劑只能改變反應速率（即達到平衡的速率），而不能改變反應平衡。催化劑對于正向和逆向反應具有相同的催化作用。催化劑有正催化劑（加速）和負催化劑（減速）。減速

8、者又稱為阻化劑。催化劑作用機理 ABA+B+K AB+KEa,0E2AK+BABKAKE1E3Ea反應進程反應進程能量能量A+BAB KA+K AKAK+B AB+K k2k1k1 132aEEEE催化劑作用機理催化作用的關鍵是大大降低了反應的活化能。催化作用的關鍵是大大降低了反應的活化能。如：如： (1)(1) 2SO2SO2 2 + O + O2 2 2SO 2SO3 3 E Ea a = 251 kJ/mol= 251 kJ/mol Pt Pt催化：催化： E Ea a = 62.8 kJ/mol = 62.8 kJ/mol(2)(2) 3H 3H2 2 + N + N2 2 2NH 2

9、NH3 3 E Ea a = 334.7 kJ/mol = 334.7 kJ/mol FeFe- - AlAl2 2O O3 3- -K K2 2O O: : E Ea a = 167.4 kJ/mol = 167.4 kJ/mol3. 3.催化作用的特點催化作用的特點 催化劑能加快反應速率的原因是由于改變了反應的歷催化劑能加快反應速率的原因是由于改變了反應的歷程，降低了反應活化能。程，降低了反應活化能。(2) (2) 催化劑在反應前后數(shù)量和化學性質不變，催化劑只能催化劑在反應前后數(shù)量和化學性質不變，催化劑只能影響反應速率影響反應速率, ,不能改變化學平衡。不能改變化學平衡。 (3) (3)

10、催化劑本身可能參與反應催化劑本身可能參與反應, ,其濃度項經常會出現(xiàn)在速其濃度項經常會出現(xiàn)在速率方程中。率方程中。(4) (4) 催化劑反應前后物理性質可能發(fā)生變化。催化劑反應前后物理性質可能發(fā)生變化。(5) (5) 催化劑有特殊的選擇性。一種催化劑只對特定類型反催化劑有特殊的選擇性。一種催化劑只對特定類型反應有催化作用。酶催化反應具有更強選擇性。應有催化作用。酶催化反應具有更強選擇性。(6) (6) 少量雜質有可能強烈的影響催化劑的作用。增加催化少量雜質有可能強烈的影響催化劑的作用。增加催化劑作用的為助催劑，減低催化活性的稱為毒物。劑作用的為助催劑，減低催化活性的稱為毒物。4. 4.催化劑的

11、類型催化劑的類型 催化反應催化反應生物催化生物催化化學催化化學催化均相催化均相催化多相催化多相催化4.1生物催化生物催化 是指利用酶酶或者生物有機體（細胞、細胞器、組織等）作為催化劑進行化學轉化的過程，這種反應過程又稱為生物轉化。生物催化劑 是指生物反應過程中起催化作用的游離或固定化細胞各游離或固定化酶的總稱。生物催化生物體內發(fā)生的復雜生化過程是由酶來完成的。從酶的作用和功能的發(fā)現(xiàn)過程中了解到，人們最早使用的事游離的細胞活體，即使用這些細胞中的酶作為生物催化劑；在此基礎上考慮將該酶蛋白質從細胞中提取分離出來，以較純的催化劑形態(tài)進行反應的催化，也可以采用固定化技術將酶或細胞（催化劑）固定在惰性固

12、體表面后再使用。因此，固定化細胞和固定化酶又稱為固定化催化劑。生物催化劑的類別與方式項目項目含酶整細胞含酶整細胞分離純化酶分離純化酶類別生長細胞細胞萃取液休止細胞純酶制劑凍干細胞處理活修飾酶處理或修飾細胞多酶系統(tǒng)方式游離細胞游離狀態(tài)微膠囊、微乳狀液微膠囊、微乳狀液固定化細胞固定化酶催化反應相水溶液、含有機溶液的水溶液、水有機溶劑的雙相體系、有機溶液水溶液、含有機溶液的水溶液、水有機溶劑的雙相體系、水微溶的有機溶液生物催化劑的特征生物催化劑的優(yōu)點：生物催化劑的優(yōu)點： 效率極高、高度專一、條件溫和、清潔環(huán)保生物催化劑的缺點生物催化劑的缺點 : : 生物催化劑的本質是酶，雖然具有催化效率高、專一性強

13、和污染少等優(yōu)點，但在有機溶劑中生物催化劑的穩(wěn)定性和耐受性都很低，易受到有機溶劑的破壞，此外它的催化活性還受到溶劑pH和反應溫度的影響。 生物催化劑和化學催化劑的比較 項目項目生物催化劑生物催化劑分子催化劑分子催化劑催化底物多是大分子復雜底物較簡單的、純的化合物反應模式多種催化劑同時作用催化多種反應單一催化劑催化單一化學反應反應條件比較溫和相對較苛刻原料生物基質、化工資源以化石資源為主轉化效率常溫下高效、高轉化率、可立構專一在高溫加壓下也可高效轉化，轉化效率相對較低對環(huán)境的影響環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展可對環(huán)境造成污染，也可環(huán)境友好常見的生物催化劑酶酶是由活細胞合成的，對特異底物起高效催化作用的蛋白質

14、，是機體內催化各種代謝反應的最主要的催化劑。由酶催化的反應稱為酶促反應，酶所作用的物質稱為底物（S）；酶所具有的催化能力稱為酶的活性。 生物催化劑能催化特定化學反應的蛋白質、RNA或它的復合體，能通過降低反應的活化能加快反應速度，但不改變反應的平衡點。絕大多數(shù)酶的化學本質是蛋白質(少數(shù)是RNA)。具有催化效率高、專一性強、作用條件溫和等特點。酶催化作用實質：降低化學反應活化能。酶催化反應的特點高效性：酶的催化效率比無機催化劑更高，使得反應速率更快；專一性：一種酶只能催化一種或一類底物，如蛋白酶只能催化蛋白質水解成多肽；多樣性：酶的種類很多，大約有4000多種；溫和性：是指酶所催化的化學反應一般

15、是在較溫和的條件下進行的；活性可調節(jié)性：包括抑制劑和激活劑調節(jié)、反饋抑制調節(jié)、共價修飾調節(jié)和變構調節(jié)等；相關性：有些酶的催化性與輔因子有關；易變性；由于大多數(shù)酶是蛋白質（少數(shù)是RNA），因而會被高溫、強酸、強堿等破壞。生物催化技術的應用及意義生物催化技術的應用及意義應用領域生物材料、手性藥物、精細化學品、大宗化學品、 生物能源、環(huán)境保護生物催化劑在手性技術中的應用手性技術包括不對稱合成、外消旋體拆分1.酶酶催化還原：借助氧化還原酶完成。如：合成手性合成纖維。2.酶催化氧化：借助氧化還原酶完成。如：苯芳環(huán)衍生物的生物催化氧化3.水解反應：借助水解酶完成。如：內外消旋混合體的酶催化水解 生物催化的

16、發(fā)展趨勢生物催化的發(fā)展趨勢（1）發(fā)掘生物多樣性研究（2）生物催化劑的修飾、改造研究（3）生物催化反應過程研究酶的固定化是酶實現(xiàn)工業(yè)化的極重要條件，這種酶可直接應用于工業(yè)生物催化反應器。 抗體酶化學與免疫學結合產生的催化抗體用于解決天然酶在手性合成中無法解決的問題 抗體動物為抗拒外來物質的入侵而合成的蛋白質具有可變性，可與抗原結合，組合方式可達1011 抗原誘導抗體形成的外來大分子催化抗體將酶的高效催化性與抗體的高度選擇性的巧妙結合本質是一種沒有進化完全的蛋白質酶，它不如天然酶催化效率高，但可催化多種化合物使其轉化。 由于生物催化劑具有催化效率高、專一性強和污染少等特點，生物催化已經和化學方法一

17、樣，被大量應用于藥物的研究開發(fā)。但生物催化劑的熱穩(wěn)定性差、易受pH的影響和有機溶劑耐受性差等缺點，限制了生物催化劑用于大規(guī)模的工業(yè)化生產。不過隨著新的生物技術如定向進化的出現(xiàn)，利用生物技術對生物催化劑進行改造優(yōu)化已成為現(xiàn)實。相信在不久的將來，生物催化定能在制藥工業(yè)中發(fā)揮更大的作用4.2化學催化化學催化以催化劑與反應物狀態(tài)不同，可分為均相催化均相催化和多相催化多相催化兩大類。如果催化反應在某一均勻物質相內進行（液相、氣相），就稱為均相催化：如果催化物和反應物被相界面分開，催化反應在不同物相的界面上進行，為多相催化。一般多相催化劑指的是固體催化劑。酶催化是介于二者之間的體系，以親液膠體形式存在。4

18、.2.1均相催化劑 均向催化劑主要是可溶性過渡金屬配合物和鹽類，包包括路易斯酸、堿在內的酸、堿催化劑括路易斯酸、堿在內的酸、堿催化劑。它們以分子或離子獨立起作用，比較單一，易于研究和改進。缺點是適用范圍有限，催化劑與產物難分離，尤其是貴重金屬催化劑的損失，直接影響工業(yè)化時的經濟價值。催化劑：多為組成與結構確定的小分子化合物：氣體、酸、堿、可溶性金屬鹽類及金屬配合物。例如，鹽酸，硫酸，氫氧化鈉，醋酸錳，環(huán)烷酸鈷，氯化鈀，氯化銅等。 均相催化反應是指反應物和催化劑居于同一相態(tài)中的反應。如液相 催化反應體系，其中包括氣體溶解于液相中的反應。 目前，均相催化反應多在液相中進行。 優(yōu)點是：催化劑高度分散

19、，分布均勻，活性中心均一。通常，它的活性高，選擇性好，操作條件溫和（一般700）發(fā)生相變，轉化成Al2O3（惰性載體）。 3）晶格缺陷助催化劑：使活性物質晶面的原子排列無序化，通過增大晶格缺陷濃度提高活性。 2 2）和）和3 3）又合稱調變性助催化劑，因為其）又合稱調變性助催化劑，因為其“助催助催”的本質近于的本質近于化學方面；而結構性助催化劑的化學方面；而結構性助催化劑的“助催助催”本質更偏于物理方面。本質更偏于物理方面。4）擴散助催化劑：用于工業(yè)生產的固定床催化劑，通常都加工成球狀或柱狀。這樣，催化劑的有效利用率將顯著下降。為了增大催化劑體相中的孔，使細孔內的擴散過程不致成為速度控制步驟，

20、往往加入一些在焙燒時可以分解的有機物或硝酸鹽，使催化劑保持一定孔隙率。 載體 是擔載活性組分和助催化劑的組分。換句話說，是催化活性組分的分散劑、粘合物或支撐物，是負載活性組分的骨架。 將活性組分、助催化劑負載于載體上所得到的催化劑稱為負載型催化劑。 載體的主要作用是賦予催化劑以基本的物理結構和性能。如孔結構、比表面、宏觀外形、機械強度等。同時，對主催化劑和助催化劑起到分散的作用。尤其是對貴金屬催化劑，用載體負載后可大大減少主催化劑的用量，降低催化劑成本，又可提高其活性 。 載體的種類很多，如Al2O3，SiO2，MgO，硅藻土，石棉等等?？梢允翘烊坏?，也可以是人工合成的。載體的功能1）提供有效

21、的表面和適宜的孔結構。催化劑的活性表面和孔結構對催化劑的活性和選擇性影響很大，但有的活性組分本身不具備這種條件。所以通過將活性組分用各種方法負載于載體上，來使催化劑獲得大的活性表面和適宜的孔結構。例：金屬Ni、Ag等。因此，載體的比表面一般都較大，且多為高熔點物質，具有熱穩(wěn)定性。2）增強催化劑的機械強度。使催化劑具有一定的形狀，以防止由于催化劑粉化造成停車。選擇時要考慮載體的耐壓、耐磨、抗沖強度（根據(jù)不同的反應體） 。3）改善催化劑的傳導性。若載體具有良好的導熱性，則可將反應放出的熱迅速傳遞出去，以防止局部過熱而造成催化劑的燒結和失活。例如用Cu 作催化劑，一般情況下200就會因熔化和燒結而失

22、活。但選用Al2O3 做載體后，在250下仍維持活性而不燒結，從而延長了壽命。 4）減少活性組分的含量。使用載體，可使活性組分高度分散，從而減少活性組分的用量。這對活性組分是貴金屬的催化劑尤為重要，可以大大節(jié)約成本。例如：使SO2 轉化的V2O5 催化劑，載于硅藻土上，少量V2O5 即可起同樣作用，尤其對貴金屬。 5）載體提供附加的活性中心。因為載體表面可能會同時存在多種不同種類的活性位，當兩種或兩種以上的活性位相鄰時，就可能使反應向有利的方向進行。 6）活性組分與載體之間的溢流現(xiàn)象和強相互作用。 溢流現(xiàn)象指固體催化劑表面的活性中心經吸附產生一種離子的或自由基的活性物種，它們遷移到別的活性中心

23、處的現(xiàn)象。 它們可以化學吸附誘導出新的活性或進行某種化學反應。 催化劑除以上幾種主要組成外，有時還要添加抑制劑、穩(wěn)定劑等組分。 抑制劑的作用與助催化劑的作用正好相反，少量添加能使主催化劑的催化性能適當降低，甚至大幅度下降。一般來說，在催化劑配方中加入抑制劑，是為了使催化劑的各種性能達到均衡，以實現(xiàn)整體的優(yōu)化。例如，過高的活性會導致副反應加劇，選擇性下降。 穩(wěn)定劑的作用與載體相似，也是某些催化劑中的常見組分，不過穩(wěn)定劑的用量要比載體少得多。如氧化鋁、氧化鎂等難還原的耐火氧化物，常作為易燒結催化組分的細分散態(tài)的穩(wěn)定劑。其他催化劑的表示方法通常：1、用“/” 來區(qū)分載體與活性組分 如：Ru/Al2O

24、3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2 Au/C2、用“-”來區(qū)分各活性組分及助劑 Pt-Sn/Al2O3，F(xiàn)e-Al2O3-K2O催化劑的制法： 沉淀法沉淀法 浸漬法浸漬法 機械混合法機械混合法 離子交換法離子交換法 熔融法熔融法沉淀法沉淀法是制備固體催化劑最常用的方法之一。沉淀法是制備固體催化劑最常用的方法之一。用沉淀劑（如堿類物質）將可溶性的催化劑組分（金屬鹽用沉淀劑（如堿類物質）將可溶性的催化劑組分（金屬鹽類的水溶液）轉化為難溶化合物，再經分離、洗滌、干燥、類的水溶液）轉化為難溶化合物，再經分離、洗滌、干燥、焙燒、成型等工序制得成品催化劑。焙燒、成型等工序制得成品催化劑。影響沉淀法的因素

25、有溶液的濃度、沉淀的溫度、溶液的影響沉淀法的因素有溶液的濃度、沉淀的溫度、溶液的PHPH值和加料的順序等。值和加料的順序等。沉淀法的優(yōu)點：沉淀法的優(yōu)點： 有利于雜質的清除有利于雜質的清除 可獲得活性組分分散度較高的產品可獲得活性組分分散度較高的產品 有利于組分間緊密結合，造成適宜的活性構造有利于組分間緊密結合，造成適宜的活性構造 活性組分與載體的結合較緊密，且前者不易流失?；钚越M分與載體的結合較緊密，且前者不易流失。浸漬法浸漬法是負載型催化劑最常用的制備方法。浸漬法是負載型催化劑最常用的制備方法。其制備步驟大體包括其制備步驟大體包括 抽空載體；抽空載體； 載體與被浸漬溶液接觸；載體與被浸漬溶液

26、接觸； 除去過剩的溶液；除去過剩的溶液； 干燥；干燥； 煅燒及活化。煅燒及活化。生產實例：生產實例： 用于加氫反應的載于氧化鋁上的鎳催化用于加氫反應的載于氧化鋁上的鎳催化Ni/AlNi/Al2 2O O3 3制備？制備？ 載體：氧化鋁粒子載體：氧化鋁粒子 浸漬液：硝酸鎳溶液浸漬液：硝酸鎳溶液機械混合法混合法是工業(yè)上制備多組分固體催化劑時常采用的方法?；旌戏ㄊ枪I(yè)上制備多組分固體催化劑時常采用的方法。它是將幾種組分用機械混合的方法制成多組分催化劑。它是將幾種組分用機械混合的方法制成多組分催化劑?；旌系哪康氖谴龠M物料間的均勻分布，提高分散度。因此，混合的目的是促進物料間的均勻分布，提高分散度。因此

27、，在制備時應盡可能使各組分混合均勻。在制備時應盡可能使各組分混合均勻。為了提高機械強度，在混合過程中一般要加入一定量的粘為了提高機械強度，在混合過程中一般要加入一定量的粘結劑。結劑。離子交換法離子交換法是利用載體表面上存在著可進行交換的離子，離子交換法是利用載體表面上存在著可進行交換的離子，將活性組分通過離子交換（通常是陽離子交換），交換到將活性組分通過離子交換（通常是陽離子交換），交換到載體上，然后再經過適當?shù)暮筇幚?。載體上，然后再經過適當?shù)暮筇幚?。如洗滌、干燥、焙燒、還原后得到金屬負載型催化劑。如洗滌、干燥、焙燒、還原后得到金屬負載型催化劑。該法制得的催化劑：該法制得的催化劑： 分散度好分

28、散度好 活性高活性高沸石分子篩、離子交換樹脂的改性也常采用這種方法。沸石分子篩、離子交換樹脂的改性也常采用這種方法。熔融法熔融法是在高溫條件下進行催化劑組分的熔合，使之成為熔融法是在高溫條件下進行催化劑組分的熔合，使之成為均勻的混合體、合金固溶體或氧化物固溶體。均勻的混合體、合金固溶體或氧化物固溶體。熔融法制備的催化劑活性好、機械強度高且生產能力大，熔融法制備的催化劑活性好、機械強度高且生產能力大，局限性是通用性不大。局限性是通用性不大。其制備程序一般為：其制備程序一般為： 固體的粉碎；固體的粉碎； 高溫熔融或燒結；高溫熔融或燒結； 冷卻、破碎成一定的粒度；冷卻、破碎成一定的粒度； 活化?；罨?/p>

29、。生產實例生產實例： 目前合成氨工業(yè)上使用的熔鐵催化劑如何制備？目前合成氨工業(yè)上使用的熔鐵催化劑如何制備？ 原料：磁鐵礦（原料：磁鐵礦（Fe3O4Fe3O4）、硝酸鉀、氧化鋁）、硝酸鉀、氧化鋁 條件：條件：16001600高溫高溫 催化劑粒度：幾毫米的粒度催化劑粒度：幾毫米的粒度均相催化劑與多相催化劑的性能比較 5. 5.催化劑性能與標志催化劑性能與標志（1 1）活性）活性 、比活性、比活性 、轉化率、轉化率 、空時收率、空時收率 （2 2）選擇性）選擇性 （3 3）使用壽命）使用壽命/ /穩(wěn)定性穩(wěn)定性 、成熟期、成熟期 、穩(wěn)定期、穩(wěn)定期 、衰老期、衰老期 （4 4）機械強度（耐壓、耐磨）和穩(wěn)

30、定性（耐熱、抗毒）機械強度（耐壓、耐磨）和穩(wěn)定性（耐熱、抗毒）（5 5）其它物理性狀）其它物理性狀 形狀與尺寸形狀與尺寸-流體力學流體力學 比表面積比表面積-催化活性、選擇性催化活性、選擇性 孔容積、孔容積、 孔徑分布、平均孔徑與自然孔徑孔徑分布、平均孔徑與自然孔徑-傳遞過程傳遞過程 孔隙率孔隙率 ，空隙率，空隙率 - -傳遞過程傳遞過程 真密度真密度 ，表觀密度，表觀密度 ，堆積密度，堆積密度-反應器的利用率反應器的利用率 5.1活性因為催化劑只能改變達到化學反應平衡過程的速率，因為催化劑只能改變達到化學反應平衡過程的速率，所以活性就是指：某一特所以活性就是指：某一特定催化劑影響反應速率的程

31、度。定催化劑影響反應速率的程度。 換句話說：換句話說： 在給定的溫度、壓力和空速下，催在給定的溫度、壓力和空速下，催化劑對反應物的轉化能力。化劑對反應物的轉化能力。通常用來表示催化劑活性的方法有通常用來表示催化劑活性的方法有轉化率、時空收率和反應速率。轉化率、時空收率和反應速率。1 1轉化率：轉化率：1 1、若對一個簡單反應、若對一個簡單反應 AB AB 則在給定溫度下，反應物則在給定溫度下，反應物A A的轉化率可用下式表示：的轉化率可用下式表示： 反應后已轉化的反應物（反應后已轉化的反應物（A A）摩爾數(shù)）摩爾數(shù)NANA xA xA 100% 100% 進料中反應物（進料中反應物（A A）的

32、摩爾數(shù)）的摩爾數(shù)NAoNAo 注：采用這種參數(shù)時，必須注明反應物料與催化劑的接觸時間，否注：采用這種參數(shù)時，必須注明反應物料與催化劑的接觸時間，否則就無速率的概念了。為此工業(yè)實踐中引入空速這一參數(shù)。則就無速率的概念了。為此工業(yè)實踐中引入空速這一參數(shù)。 轉化率的其它表示方法： 1）轉化率也可用達到規(guī)定轉化率所需的溫度來表示： 如：反應達到某一平衡狀態(tài)（即某一規(guī)定轉化率）的轉化溫度為T平衡，而實際操作中所需的溫度為T實，那么 TT實T平衡 這一參數(shù)可以代表催化劑的好壞。T越小，表示催化劑活性越好。若T0，則這種催化劑為最理想的催化劑。 2）還可以用在給定溫度下欲達到某一指定轉化率所需的空速來表示。

33、對于能在給定溫度下，達到指定轉化率的空速愈高，則其活性也愈好，生產能力也越大。 單程轉化率：在工業(yè)中，因為有些反應受熱力學平衡限制，平衡轉化率不高，為了充分利用原料，需將反應產物分離后，與補充的新鮮原料一起再循環(huán)使用。這時我們稱一次通過催化劑的轉化率為單程轉化率。2 2、時空收率：、時空收率： 指在單位時間t內，使用單位體積V催化劑所能得到目的產物的摩爾數(shù)NB。例題：苯加氫生產環(huán)己烷，年產15000噸環(huán)己烷的反應器，內裝有Pt/Al2O3催化劑2.0m3，計算其時空收率。解：環(huán)己烷的分子量是84，一年按300個生產日計算，則以單位體積（每m3）催化劑計算的時空收率為：tVNYcatBhcatM

34、KmoltVNYcatB3/4 .12243000 . 284/1000150003.3.反應速率反應速率根據(jù)IUPAC（1979）推薦，反應速率的定義為：，單位為mols-1。式中t為反應時間， 為反應度，定義為：式中ni和ni0分別為t = t和t = 0時物質i的量以摩爾表示。vi為組分i的化學計量系數(shù)。 ddt0iiinn4 4、轉換頻率（、轉換頻率（TOFTOF） 在反應速率的三種表達式中，以面積速率式為最好。因為催化反應是在表面上發(fā)生的。然而，相同表面積的催化劑表面上活性位濃度（或密度）可能并不一樣。 因此根據(jù)活性位數(shù)來表征反應速率似乎更能接近催化劑的本質速率。借用酶化學中轉換數(shù)概

35、念，在催化中引入了轉換頻率（Turnover Frequency，TOF）概念。TOF又稱轉換速率，是指反應在給定溫度、壓力、反應物組成和流速 (流量) 以及一定反應度條件下，在單位時間、單位活性位上發(fā)生反應的次數(shù)。以TOF或Vt表示。 當然在使用轉換頻率時，還會存在一些問題。由于我們對許多催化劑還不能直接測定或計算其活性位數(shù)，即使對于金屬催化劑，我們也只是測定或計算其暴露在表面上的原子數(shù)。這樣TOF大體上只能是催化活性的平均值。因為暴露在表面上的原子中，也只是一部分具有活性，所以其平均值是相當于較低水平的真實活性。此外，TOF不是速率常數(shù)，因此它依然與反應條件有關。在報道TOF值時，必須同時給出反應條件。 在工業(yè)生產中，催化劑的生產能力大多數(shù)是以催化劑單位體積為基準，并且催化劑的用量通常都比較大，所以這時反應速率應當以單位容積表示。 在某些情況下，用催化劑單位質量作為標志，以表示催化劑的活性比較方便。 當比較固體物質的固有催化劑性質時，應當以催化劑單位面積上的反應速度作為標準。因為多相催化反應僅在固體的表面（當然包括內表面）上發(fā)生。5.2選擇性 催化劑并不對熱力學所允許的所有化學反應都起催化作用，而僅對平行反應或串聯(lián)反應中的一個反應有效。這