催化剂与催化作用

第1章催化剂与催化作用基本知识／1

1．1催化作用的特征／1

1．1．1催化剂和催化作用的定义／1

1．1．2催化作用不能改变化学平衡／1

1．1．3催化作用通过改变反应历程而改变反应速度／2

1．1．4催化剂对加速化学反应具有选择性／3

1．2催化反应和催化剂的分类／4

1．2．1催化反应分类／4

1．2．2催化剂分类／6

1．3固体催化剂的组成与结构／7

1．3．1固体催化剂的组成／7

1．3．2固体催化剂的结构／9

1．4催化剂的反应性能及对工业催化剂的要求／11

1．4．1催化剂的反应性能／11

1．4．2对工业催化剂的要求／13

1．5多相催化反应体系的分析／14

1．5．1多相催化反应过程的主要步骤／14

1．5．2多相催化反应中的物理过程／14

1．5．3多相催化反应的化学过程／16

1．5．4多相催化反应的控制步骤／18

参考文献／18

第2章催化剂的表面吸附和孔内扩散／19

2．1催化剂的物理吸附与化学吸附／19

2．1．1物理吸附与化学吸附／19

2．1．2吸附位能曲线／20

2．1．3吸附在多相催化反应中的作用／22

2．2化学吸附类型和化学吸附态／22

2．2．1化学吸附的类型／22

2．2．2化学吸附态／24

2．3吸附平衡与等温方程／28

2．3．1等温吸附线／28

2．3．2等温方程／28

2．4催化剂的表面积及其测定／31

2．4．1BET法测定比表面积／32

2．4．2色谱法测定比表面积／34

2．5催化剂的孔结构与孔内扩散／34

2．5．1催化剂的孔结构／35

2．5．2催化剂的孔内扩散／38

参考文献／40

第3章酸碱催化剂及其催化作用／41

3．1酸碱催化剂的应用及其分类／41

3．1．1酸碱催化剂的应用／41

3．1．2酸碱催化剂的分类／41

3．2酸碱定义及酸碱中心的形成／42

3．2．1酸碱定义／42

3．2．2酸碱中心的形成／43

3．3固体酸性质及其测定／48

3．3．1固体酸性质／48

3．3．2固体酸表面酸性质的测定／48

3．3．3超强酸／51

3．4酸碱催化作用及其催化机理／52

3．4．1均相酸碱催化／52

3．4．2多相酸碱催化／56

3．5沸石分子筛催化剂及其催化作用／61

3．5．1沸石分子筛的组成与结构／61

3．5．2沸石分子筛的特性／65

3．5．3沸石分子筛的酸碱催化性质及其调变／66

3．5．4沸石分子筛的择形催化作用／70

3．6典型酸催化剂催化反应剖析／73

3．6．1石油烃的催化裂化／73

3．6．2芳烃的异构化、歧化、烷基转移反应

3．6．3甲醇、合成气制汽油（MTG）、烯烃

（MT0）和芳烃（MTA）／z79

参考文献／81

第4章金属催化剂及其催化作用／83

4．1金属催化剂的应用及其特性／83

4．1．1金属催化剂的应用／83

4．1．2金属催化剂的特性／84

4．2金属催化剂的化学吸附／85

4．2．1金属的电子组态与气体吸附能力间的关系，／85

4．2．2金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系／／86

4．3金属催化剂电子因素与催化作用的关系／89

4．3．1能带理论／90

4．3．2价键理论／92

4．4金属催化剂晶体结构与催化作用的关系／94

4．4．1金属催化剂的晶体结构／94

4．4．2晶体结构对催化作用的影响一／95

4．4．3金属催化剂晶格缺陷和不均一表面对催化剂性能的影响／101

4．5负载型金属催化剂及其催化作用／102

4．5．1金属分散度与催化活性的关系／102

4．5．2金属催化反应的结构敏感行为／104

4．5．3金属与载体的相互作用／105

4．5．4负载金属催化剂的氢溢流现象／106

4．6合金催化剂及其催化作用／107

4．6．1合金的分类和表面富集／108

4．6．2合金的电子效应和几何效应与催化作用的关系／109

4．7金属催化剂催化作用的典型剖析／111

4．7．1合成氨工业催化剂／111

4．7．2乙烯环氧化工业催化剂／114

4．7．3催化重整工业催化剂／116

参考文献／118

第5章过渡金属氧（硫）化物催化剂及其催化作用／120

5．1过渡金属氧（硫）化物催化剂的应用及氧化物的类型／120

5．1．1过渡金属氧（硫）化物催化剂的应用及其特点／120

5．1．2过渡金属氧化物催化剂的结构类型／122

5．2金属氧化物中的缺陷和半导体性质／123

5．2．1半导体的能带结构和类型／124

5．2．2n型和p型半导体的生成／125

5．2．3杂质对半导体催化剂费米能级Er、逸出功和电导率的影响／127

5．3半导体催化剂的化学吸附与半导体电子催化理论／128

5．3．1半导体催化剂的化学吸附／128

5．3．2氧化物催化剂的半导体机理／130

5．4过渡金属氧化物催化剂的氧化一还原机理／132

5．4．1过渡金属氧化物催化剂的金属一氧键强度对催化反应的影响／132

5．4．2金属氧化物催化剂氧化还原机理／135

5．5过渡金属氧化物中晶体场的影响／137

5．5．1过渡金属氧化物晶体场稳定化能／138

5．s．2晶体场稳定化能对催化作用的影响／140

5．6过渡金属氧化物催化剂典型催化过程分析／143

5．6．1钼铋系复氧化物催化剂催化的丙烯氨氧化制丙烯腈／143

5．6．2钒系复氧化物催化剂催化c烃选择氧化制顺酐／146

5．6．3尖晶石型复氧化物催化剂催化乙苯脱氢制苯乙烯／147

5．6．4氧化钴（镍）一氧化钼（钨）临氢脱硫催化剂催化作用／149

参考文献／1sO

第6章络合催化剂及其催化作用／152

6．1络合催化剂的应用及化学成键作用／152

6．1．1络合催化剂的应用／152

6．1．2过渡金属络合物化学成键作用／153

6．2络合物催化剂的形成与络合物的反应／154

6．2．1过渡金属d电子组态与络合物配位数的关系／154

6．2．2络合物催化剂中常见的配位体及其分类／155

6．2．3络合物氧化加成与还原消除反应／156

6．2．4配位体取代反应和对位效应／157

6．2．5型配位体的重排、插入与转移反应／159

6．3络合空位的形成、反应物的活化和络合催化剂的调变／160

6．3．1络合空位的形成／160

6．3．2反应物的活化／161

6．3．3络合物催化剂的调变163

6．4络合催化机理及络合催化实例分析／164

6．4．1络合催化的一般机理／164

6．4．2络合物催化剂的催化作用实例分析／165

6．5络合催化剂的固相化及金属原子簇催化剂／174

6．5．1均相络合催化剂的优缺点／174

6．5．2均相络合催化剂的固相化／175

6．5．3金属原子簇催化剂／175

参考文献／177

第7章催化剂的选择、制备、使用与再生／179

7．1催化剂的选择分类／179

7．1．1现有催化剂的改进／179

7．1．2利用廉价原料研制开发化工产品所需催化剂／180

7．1．3为化工新产品和环境友好工艺的开发而研制催化剂／181

7．2选择催化剂常用方法／182

7．2．1利用元素周期表进行催化剂活性组分的选择／182

7．2．2利用催化功能组合构思催化剂／184

7．3催化剂的制备与催化剂的预处理／185

7．3．1催化剂制备的主要方法／185

7．3．2催化剂的预处理（活化）／189

7．4催化剂的失活与再生／192

7．4．1催化剂中毒／192

7．4．2催化剂的烧结／195

7．4．3催化剂的积碳／196

7．4．4催化剂的再生／197

参考文献／198

第8章环境催化／199

8．1环境催化的特点和研究内容／199

8．2机动车尾气净化催化技术／201

8．2．1汽油机尾气净化催化技术／／201

8．2．2柴油机汽车／204

8．3排烟脱硫、脱氮技术／205

8．3．1催化脱除N0／205

8．3．2催化脱除SO／207

8．3．3同时催化脱除SO：和NO：／209

8．4催化燃烧／209

8．5C0和氯氟烃（CFCs）的催化治理／210

8．5．1C02的催化利用／210

8．5．2氯氟烃的催化治理／211

8．6水污染治理／212

8．6．1反应机理／212

8．6．2半导体光催化剂／213

8．6．3光催化反应器／213

8．7清洁燃料的生产和环境友好催化技术的开发／214

8．7．1清洁汽油、柴油的开发／214

8．7．2生物柴油／219

8．7．3环境友好催化剂及催化

技术的开发／221

参考文献／225

总习题／227

总习题参考答案／236

附表

《催化剂与催化作用》作者王桂茹教授和他的同事们从20世纪80年代初开始讲授催化剂与催化作用这门课程，当时在工科院校中为石油化工专业开设催化剂课程还很少。因此，经历了长时间的探索，在长期的教学实践中不断总结和完善，从试用教材发展为专用教材。《催化剂与催化作用》以现代工业催化技术采用的催化剂和催化反应为起点，分析各种影响因素，逐步认识催化剂的作用和反应机理，达到掌握基本知识和基本理论的目的。非均相催化过程在现有工业催化过程中占有主导地位，也是作者们多年来从事科学研究的领域，是《催化剂与催化作用》重点讲授的内容。除选用了一些国内外最新研究成果外，还总结了自身研究工作的经验，把获得的新知识和新见解吸收到教材之中。通过对有代表性的实例分析，使学生知道如何运用基本知识解决实际问题，熟悉从事催化剂研究的方向，为今后的工作打好基础。催化剂制备及催化剂的失活与再生也是工业催化剂主要组成部分，《催化剂与催化作用》作了专题讲述，目的在于使学生建立起实用的观点，并了解它们在催化反应过程中的重要作用。21世纪要求生产技术必须与人类的生存环境协调发展，这样才能保证国民经济的持续发展。目前化学工业正面临着严重的挑战，一批传统的污染环境的化工催化过程必须废弃或改造，而大批对环境友好的新技术、新工艺、新催化剂必将诞生。这不仅说明催化过程有着广阔的发展前景和应用领域，更重要的还在于使学生认识到研究开发新催化剂和新催化过程时，必须考虑到过程应对环境无害，不产生或极少产生废气、废液、废料，创造出新的清洁工艺。