第5章工业催化剂的制备设计

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1、第五章工业催化剂的设计催化剂工程导论天津理工大学化学化工学院一、工业催化剂设计概述催化剂设计：是指为某一特定的化学反应创制最佳催化剂的战略性策划催化剂设计的目的：a)借助催化剂的功能以控制化学反应；b）避免催化剂开发盲目性，提高筛选速度.发展历史:1968年D.A.Dowden首次提出催化剂设计的构想1968年米田幸夫（YukioYuneda）提出《数值的触媒学》1980年D.L.Trimm,DesignofIndustrialCatalysts,ElsevierScientificPublishingCompany专著出版1984年金性勇等译，《工业催化剂的设计》

2、，化学工业出版社1987年Hegedus论述了催化剂设计的进展与前景1991年黄仲涛等，《工业催化剂的设计与开发》，1994年E.R.Becker编著《催化剂的计算机辅助设计》论文集工业催化剂设计与相关科学技术的关联表面科学：吸附、脱附、表面分析、晶面结构模型固体化学、无机材料学：载体、助催化剂金属有机化学、配位化学：均相络合催化剂、金属离子配位原理、催化循环、簇状物化学物理化学：热力学、动力学、表面现象物化分析分析测试化学：催化剂物化性能表征技术、原料和产品分析技术工业催化化学：传质、传热、反应器设计、过程经济评价、工程放大技术催化剂设计的科学方法力争从科学理论入

3、手，用科学知识设计催化剂的模型对指定的反应，或者需要制造的某种产品，应对如何选用催化剂的实际知识进行逻辑分析；这种设计出来的催化剂应具备较佳的催化性能和能取得最大的经济效益。催化剂设计本身不需要引用新的催化概念和新的催化理论，所需要的只是对已有的概念和有效实验数据进行新的思考，需要收集和研究已有的文献，需要对催化剂各组分的功能和作用的模型认识。催化剂设计的科学方法总体性考虑热力学分析——反应的可行性、最大平衡产率、最佳反应条件反应条件参数——温度、压力、原料配比等副反应——包括目的产物的分解等生产中的实际问题——设备材质、爆炸范围腐蚀问题等经济性考虑——催化剂的经济

4、性催化反应的经济性二、催化剂设计的一般程序英国科学家D.A.Dowden:首次提出催化剂设计的构想后，日本学者米田幸夫教授将非均相催化剂的化学特性数值（酸碱性、氧化能力的强度分布），反应基质的分子物性（热力学数据、量子化学的反应性指数等）进行线性关联；又把催化剂的变量挑选出结构上的钝性、敏感性与反应速度、选择性数值进行关联，以预测催化剂的制造与筛选。催化剂设计的框图程序图1催化剂设计框图（Dowden提出）图2Trimm的催化剂总体设计程序图3催化剂主要成分的设计（米田幸夫建议）图1.经济技术评价写出反应过程，定出催化剂类别从可能的表面相互作用描绘出反应过程从化学观

5、点出发选择主要组分：A:活性模型B:吸附热C:化学吸附络合物D:几何构型E：结晶理论选择次要组分经验法机械模仿法最佳结构选择载体催化剂组分物理性能各种要求是否矛盾？最优化反应器选择设想1：从廉价原料出发制成所需产品2：明确政府的环保规定3：能否获得最大的经济效益TRIMM提出的催化剂总体设计程序图2.图3.三、化学反应的机理研究与催化剂设计定义：反应机理，主要是指反应物分子与催化剂活性中心或集团作用而后生成产物分子的真实历程和步骤，特别是在接近实际操作条件下的催化反应的真实步骤，包括其细节。非匀相化学反应的机理，在反应物、生成物的分子改组的化学过程之外，还包含了相关

6、的物理吸附、吸附分子与催化剂集团作用形成活化分子吸附、活化吸附分子间的作用、中间产物的形成和转化、产物分子的脱附、再吸附或进一步转化等过程。若能充分了解反应机理以及它和外界条件的关系，尤其是反应的控制步骤，就能比较容易的找到与真实反应通道相适应的催化剂成分和结构；其中有许多的规律性可供借鉴.考察反应机理可以通过反应动力学特点分析、吸附脱附实验数据进行推断，也可以借助现代物理方法，如原位红外光谱、原位核磁共振仪器，以及原位拉曼光谱技术进行探究.四．催化剂主要组分的设计原则基本原则：基于化学键合理论基于催化反应的经验规律基于活化模式1.键合理论与主组分设计的考虑实例1:

7、N2O的催化分解（金属氧化物催化剂的优选）实例1:N2O的催化分解反应式:2N2O→2N2+O2表面反应:N2O+e-(自催化剂)→N2+O-(ads)<1>O-(ads)+N2O→N2+O2+e-(去催化剂)<2>如控制步骤为(1):容易提供电子n-型半导体;如控制步骤为(2):容易接受电子p-型半导体对于氧参加的反应（N2O的催化分解、CO催化氧化、烃的选择性催化氧化）来说,活性最高的半导体催化剂,常是易与反应物交换晶格氧的催化剂。<400℃NiO,CoOp-半导体>450℃ZnO,Cr2O3n-半导体,控制步骤改变。实例2：乙烷的催化氢解（金属催化剂的优选