催化劑性能表征

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案催化劑性能表征催化劑性能優(yōu)劣的判斷指標(biāo)。其中最主要的是動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，對(duì)于固體催化 劑還有宏觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)和微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)。催化劑性能的動(dòng)力學(xué)表征衡量催化劑質(zhì)量的最實(shí)用的三大指標(biāo)，是由動(dòng)力學(xué)方法測(cè)定的活性、選擇性和穩(wěn)定性?；钚?催化劑提高化學(xué)反應(yīng)速率的性能的一種定量的表征。在實(shí)際應(yīng)用 中，用特定條件下某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率或時(shí)空得率等數(shù)值來(lái)衡量它，選擇性指催化劑對(duì)反應(yīng)類(lèi)型、復(fù)雜反應(yīng)(平行或串聯(lián)反應(yīng))的各個(gè)反應(yīng)方向和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的選擇催化作用。分子篩催化劑對(duì)反應(yīng)分子的形狀還有擇 形選擇性。催化劑的選擇性通常用產(chǎn)率或選擇率和選擇性因子來(lái)量度穩(wěn)定性 指催化劑對(duì)溫度、毒物、機(jī)械力、化學(xué)侵蝕、結(jié)焦積污等的 抵

2、抗能力，分別稱(chēng)為耐熱穩(wěn)定性、抗毒穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、 抗污穩(wěn)定性。這些穩(wěn)定性都各有一些表征指標(biāo)，而衡量催化劑穩(wěn)定性的總指 標(biāo)通常以壽命表示。壽命是指催化劑能夠維持一定活性和選擇性水平的使用 時(shí)間。催化劑每活化一次能夠使用的時(shí)間稱(chēng)為單程壽命；多次失活再生而能 使用的累計(jì)時(shí)間稱(chēng)為總壽命。密度 通常所說(shuō)的密度p是質(zhì)量m與其體積v之比,即p=m/v。然而， 對(duì)于多孔性催化劑來(lái)說(shuō)，因?yàn)轭w粒堆集體積 v'是由顆粒間的空隙體積VI、顆粒 內(nèi)的孔隙體積V2和顆粒真實(shí)的骨架體積 V3三項(xiàng)共同組成的：v' R1+V2+V3, 所以同一個(gè)質(zhì)量除以不同涵義的體積，使得堆集密度、顆粒密度、骨

3、架密度。堆集密度P1是單位堆集體積的多孔性物質(zhì)所具有的質(zhì)量，即P 1= m/( Vl +V2 +V3)；顆粒密度P2是單位顆粒體積的物質(zhì)具有的質(zhì)量，即 P2 =精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案m/（V2+V3）；骨架密度P3是單位骨架體積的物質(zhì)具有的質(zhì)量，即p3=m/V3。測(cè)定堆集密度通常使用量筒法；顆粒密度則用汞置換法；骨架密度多用苯置換法或氮、氮、氮等置換法?？捉Y(jié)構(gòu) 許多多孔性催化劑含有大量的微孔，宛如一塊疏松的海綿。要使催化反應(yīng)順利進(jìn)行，反應(yīng)物與產(chǎn)物分子必須靠擴(kuò)散才能自由出入微孔。描述微孔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)有孔隙率、比孔容積、孔徑分布、平均孔徑等。催化劑的孔隙容積與顆粒體積之比稱(chēng)為孔隙率；單位質(zhì)量催化劑

4、具有的孔隙容積稱(chēng)為比孔容?？紫堵实拇笮∨c孔徑、比表面、機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)，較理想的孔隙率多在0.40.6之間。用四氯化碳吸附法測(cè)定比孔容，方法簡(jiǎn)單，操作方便，一次可同時(shí)測(cè)定幾個(gè)樣品。理想的孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)孔徑大小相近、孔形規(guī)整。但是，除分子篩之類(lèi)的物質(zhì)外，絕大部分固體催化劑的孔徑范圍非常寬，而且比孔容按孔徑分布的曲線可能出現(xiàn)若干個(gè)高峰。孔徑分布一般用氣體吸附法與壓汞法聯(lián)合測(cè)繪。硅膠等物質(zhì)只有一個(gè)微孔體系，大部分孔徑偏離中央平均值不遠(yuǎn)， 可用平均孔半徑（堤）代表孔徑大小。其值可由實(shí)驗(yàn)測(cè) 得的比孔容（vg）和比表面（sg）按下式計(jì)算：堤=2vg/sg。比表面 多孔性固體催化劑由微孔的孔壁構(gòu)成巨大的表面積，為

5、反應(yīng)提供廣闊的場(chǎng)地。1克催化劑所暴露的總表面積稱(chēng)為總比表面（簡(jiǎn)稱(chēng)比表面）。1克催化劑中活性組分暴露的表面積稱(chēng)為活性組分比表面。于是，催化劑的總表面積是活性組分、助催化劑、載體以及雜質(zhì)各表面積的總和?？偙缺砻婵捎梅沁x擇性的物理吸附法測(cè)定，其中包括BET靜態(tài)容量法（見(jiàn)彩圖）、重量法和流動(dòng)色譜熱脫法、迎頭法等?；钚越M分固體催化劑的宏觀結(jié)構(gòu)和性能表征幾何形狀和粒度固體催化精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案劑的幾何形狀有粉末、微球、小球、圓柱體（條形或片狀）、環(huán)柱體、無(wú)規(guī)則顆粒以及絲網(wǎng)、薄膜等，粒度小至幾十微米，大到幾十毫米。工業(yè)上常見(jiàn)的催化劑外形及其粒度如下：固定床催化劑為小球、條形、片狀及其他無(wú)規(guī)則顆粒，一般直徑

6、在4毫米以上；移動(dòng)床催化劑為小球，直徑3毫米左右；流化床 催化劑為微球，幾十至幾百微米。粒度可用篩析法、卡尺法直接測(cè)定，或由 有關(guān)物理量間接計(jì)算。比表面常用化學(xué)吸附法測(cè)定，如氫吸附法、一氧化碳 吸附法、二氧化碳吸附法等。機(jī)械強(qiáng)度催化劑顆粒抵抗摩擦、撞擊、重力、溫度和相變應(yīng)力等作用的能力，統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械穩(wěn)定性或機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度按催化劑床層類(lèi)型分為抗壓強(qiáng)度和抗摩強(qiáng)度。用于固定床的催化劑主要考慮抗壓強(qiáng)度，用于流化床的催化劑主要考慮抗摩強(qiáng)度，而用于移動(dòng)床的催化劑則要二者同時(shí)考慮。測(cè)定機(jī)械強(qiáng)度的方法有整碼法、彈簧壓力計(jì)法、油壓機(jī)法、刀刃法、撞擊法、球磨法、氣開(kāi)法、破碎最小降落高度法等。熱導(dǎo)率 又稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)

7、，是當(dāng)兩等溫面間的距離為 1米、溫差為1C時(shí),由于熱傳導(dǎo)在單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò) 1米2面積的熱量。催化劑的熱導(dǎo)率對(duì)強(qiáng)放熱 反應(yīng)特別重要。固體催化劑微觀結(jié)構(gòu)和性能表征表面結(jié)構(gòu)固體催化劑起催化作用的部分是表面或表面若干層的原子所組成的活性中心。固體的表面結(jié)構(gòu)常與固體內(nèi)部不同，最明顯的區(qū)別是表面原子不再受來(lái)自外側(cè)的原子或分子的作用，表面層原子與第二層原子的間距常有0.3 %15%的收縮。這種表面弛豫現(xiàn)象向下逐層減弱，直至層間距與體相的層間距完全相同。有些固體，如鋁、鉞、金、銅-金合金、二氧化鈦、五氧化二鈾等 ，其最外層原子還可能按與體相精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案原子不同的對(duì)稱(chēng)形式排列，發(fā)生結(jié)構(gòu)重排。止匕外，表面

8、原子的氧化價(jià)態(tài)、電 子結(jié)構(gòu)和表面的化學(xué)組成也可能不同于體相。結(jié)構(gòu)缺陷理想的固體表面是能量穩(wěn)定的原子緊密堆積的晶面，但微觀的實(shí)際表面是不規(guī)整的，存在某些缺陷和吸附原子，還存在高指數(shù)晶面特征的 原子排列：晶階和晶曲等。晶體的缺陷主要有：點(diǎn)缺陷（包括夫倫克耳缺陷一 一間隙原子、肖特基缺陷空位）和線缺陷（主要形式是邊緣位錯(cuò)和螺旋位 錯(cuò)）。這些缺陷的存在使缺陷處的原子處于不平衡狀態(tài)，與催化劑的活性有密 切的關(guān)系。例如，烯姓聚合反應(yīng)就是在催化劑的離子缺位上進(jìn)行的。負(fù)載型 催化劑中，活性組分常以150納米的尺寸高度分散在載體上，因而有占較大比例的晶階、晶曲存在。20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多實(shí)驗(yàn)表明，晶階、晶曲處的 原子表現(xiàn)出較大的吸附幾率和較強(qiáng)的斷裂化學(xué)鍵的能力，在催化過(guò)程中有特 殊的意義。相組成 催化劑常含有兩種以上的組分。多組分催化劑在組成和結(jié)構(gòu)上 是不均勻的，可能是多相共存的混合物。 例如，合成氨的鐵催化劑是以 Fe3O4 添加AI2O3、K2O等助催化劑熔融后，再用氫氣還原制成的。許多實(shí)驗(yàn)表明， 在未還原的催化劑中，F(xiàn)e3O4和AI2O3形成了反尖晶石型的固溶體；K2O則另成一相，聚集在固溶體的邊界。止匕外，還發(fā)現(xiàn)可能存在體心結(jié)構(gòu)的a-Fe2O3、FeO等相。還原后催化劑的表面中約 40 %為體心結(jié)構(gòu)的a -Fe ,稱(chēng)為A相。A 相中摻雜少量助催化劑， 形成難還原、耐高