工业催化剂设计与开发

第1章 绪论1

1.1 催化科学发展简史1

1.1.1 催化概念的诞生1

1.1.2 从经验走向科学，创建催化科学的物理化学基础2

1.1.3 催化科学发展的第三阶段（1898～1918）3

1.1.4 工业催化和表面物理化学并行发展的时期3

1.1.5 表面物理化学与技术对催化科学的冲击4

1.1.6 经典方法研究多相催化机理发展阶段5

1.1.7 固态化学与多相催化剂设计发展时期6

1.1.8 环境催化和手性催化发展的30年7

1.2 工业催化发展简史8

1.2.1 基础化工催化工艺开发期8

1.2.2 催化燃料过程开发时期（1918～1945）9

1.2.3 催化科学与技术快速发展时期（1946～1970）10

1.2.4 环境催化发展的20年（1970～1990）12

1.2.5 新型催化材料的发展12

1.2.6 手性催化和药物合成工业发展（1990至今）14

1.3 催化科学与技术的重要性15

1.3.1 工业催化剂在经济上的重要性15

1.3.2 新能源开发对催化技术的需求16

1.3.3 催化对环境科学的重要性16

1.3.4 催化科学与技术对生命科学的重要性16

1.4 催化基本概念和工业催化剂的基本要求17

1.4.1 催化定义与特征17

1.4.2 对工业催化剂的要求18

1.5 原料、市场、政策综合对工业催化剂研制生产的影响22

1.6 课程的性质与任务24

参考文献25

第2章 催化作用模式及相关基本原则26

2.1 催化作用基础26

2.2 催化作用的前奏——化学吸附26

2.2.1 活性部位26

2.2.2 表面化学吸附键27

2.3 多相催化作用模式29

2.3.1 多相催化体系的剖析29

2.3.2 金属催化剂活性的理论分析34

2.3.3 负载型金属催化剂的活性分析37

2.3.4 合金催化剂38

2.3.5 金属簇状物催化剂39

2.3.6 半导体催化剂的电子理论40

2.3.7 复合氧化物催化剂及其催化作用42

2.3.8 固体酸碱催化剂及其催化作用46

2.3.9 分子筛催化剂及其催化作用50

2.4 过渡金属络合催化剂及其催化作用55

2.4.1 过渡金属离子的化学键合55

2.4.2 络合催化中的关键反应步骤57

2.4.3 络合催化循环59

2.4.4 配位场的影响63

2.5 聚合催化剂及其作用64

2.5.1 茂金属聚合催化剂与新型聚合物材料64

2.5.2 非茂后过渡金属烯烃聚合催化剂的研究进展68

2.5.3 组合聚合物催化技术69

2.5.4 高速组合筛选技术72

参考文献73

第3章 工业催化剂的设计75

3.1 催化科学的分子观75

3.1.1 单晶金属表面结构76

3.1.2 碳质的沉积78

3.1.3 表面原子的氧化状态78

3.2 工业催化剂设计方法79

3.2.1 引言79

3.2.2 催化设计的框图程序79

3.2.3 催化剂的类型设计法85

3.2.4 催化剂设计的经验程序102

3.3 计算机辅助催化剂设计106

3.3.1 引言106

3.3.2 决定论模型法及案例分析107

3.3.3 非决定论模型法及案例分析108

3.3.4 CAD催化剂的微动力学分析法110

3.4 固体催化剂设计的几种思路110

3.4.1 借用酶催化原理于非生物质固体催化材料合成的设计思路110

3.4.2 利用组合技术设计和开发催化剂112

3.4.3 固体催化剂构件组装114

参考文献116

第4章 催化材料学118

4.1 引言118

4.2 分子筛催化材料119

4.2.1 分子筛基本结构119

4.2.2 分子筛催化材料的特性120

4.2.3 分子筛催化材料制备121

4.2.4 两类新的分子筛催化材料123

4.3 膜材料与膜催化127

4.3.1 概述127

4.3.2 无机膜材料与催化130

4.4 非晶态合金催化材料与催化135

4.4.1 非晶态合金材料的结构特点135

4.4.2 非晶态合金催化剂制备与表征136

4.4.3 非晶态合金的催化应用138

4.5 固体酸催化材料与催化144

4.5.1 固体酸催化材料类型144

4.5.2 固体超强酸催化材料145

4.5.3 杂多酸催化材料148

4.6 整体式催化材料151

4.6.1 整体式催化剂结构特点151

4.6.2 整体式催化剂载体152

4.6.3 整体式催化剂应用153

4.7 光催化材料与光催化158

4.7.1 光催化原理158

4.7.2 光催化材料的发展161

4.7.3 光催化材料的失活与再生165

4.7.4 可见光活性光催化材料的设计166

4.8 纳米材料和纳米催化174

4.8.1 纳米催化材料的特性174

4.8.2 碳纳米管材料与催化175

4.8.3 纳米金属催化剂188

参考文献195

第5章 工业催化的过程工程203

5.1 概述204

5.1.1 工业催化过程工程的多尺度性204

5.1.2 工业催化过程工程的方法和基本概念205

5.2 多相催化反应动力学208

5.2.1 化学吸附过程208

5.2.2 理想表面的催化动力学模型212

5.2.3 真实表面的催化反应动力学模型219

5.2.4 微观反应动力学方法224

5.2.5 复杂反应动力学233

5.3 多相催化中的传递过程238

5.3.1 流体与催化剂外表面间的传热传质239

5.3.2 气体在多孔介质中的扩散240

5.3.3 多相催化剂的效率因子241

5.3.4 传递现象影响下的催化反应动力学行为247

5.4 固体催化剂的失活与再生251

5.4.1 失活的类型251

5.4.2 失活动力学257

5.4.3 工业催化剂寿命的实验室规模考察方法261

5.4.4 失活催化剂的再生262

5.5 试验研究用反应器263

5.5.1 理想反应器的基本类型264

5.5.2 微分、积分固定床反应器266

5.5.3 无梯度反应器267

5.5.4 催化剂开发过程中反应器的选择268

5.5.5 催化剂开发的高通量筛选方法270

5.5.6 催化动力学模型筛选及参数估算271

5.6 工业生产用反应器273

5.6.1 釜式反应器273

5.6.2 固定床反应器277

5.6.3 流化床反应器285

主要符号292

参考文献293

第6章 多相催化过程模拟297

6.1 计算机模拟理论与技术297

6.1.1 量子力学方法297

6.1.2 分子力学方法298

6.1.3 组合方法299

6.2 多相催化模拟——策略与模型299

6.2.1 简介299

6.2.2 级间近似方法300

6.2.3 周期性计算301

6.2.4 簇模型301

6.2.5 微动力学模型303

6.3 催化材料结构模拟305

6.3.1 能量计算305

6.3.2 整体最小化法306

6.3.3 模拟退火法306

6.3.4 遗传运算法则307

6.3.5 拓扑枚举法309

6.3.6 结构预测310

6.4 表面及过程模拟313

6.4.1 模拟技术313

6.4.2 骨架材料表面结构及性质314

6.4.3 吸附315

6.4.4 扩散317

6.4.5 表面与水的反应318

6.4.6 催化部分氧化反应318

6.4.7 多相催化剂模型体系321

参考文献323

第7章 离子液体与催化325

7.1 离子液体简介325

7.1.1 离子液体发展简史325

7.1.2 离子液体的组成与结构326

7.1.3 离子液体的特性326

7.1.4 离子液体的合成326

7.2 离子液体催化剂327

7.2.1 酸性离子液体催化剂328

7.2.2 碱性功能化离子液体催化剂334

7.2.3 离子液体负载化336

7.3 离子液体与纳米催化338

7.4 离子液体与生物催化339

7.5 其他离子液体催化剂339

7.5.1 手性离子液体339

7.5.2 具有配位功能的离子液体340

参考文献341

第8章 氢能与制氢技术用催化剂的设计与开发345

8.1 化石能源现状345

8.2 氢能的优点及应用345

8.3 制氢技术概述347

8.3.1 化石燃料制氢347

8.3.2 再生氢制备349

8.4 储氢352

8.5 甲醇氧化重整制氢催化剂的设计及性能评价353

8.5.1 甲醇氧化重整制氢反应分析353

8.5.2 催化剂的开发354

8.5.3 工艺操作参数的选择354

8.5.4 催化剂应用355

8.5.5 技术经济分析356

8.5.6 应用前景357

参考文献358

第9章 二甲醚生产用催化剂的设计与开发359

9.1 二甲醚概述359

9.1.1 二甲醚的性质及工业应用359

9.1.2 二甲醚生产工艺概述359

9.1.3 甲醇气相脱水制二甲醚基本原理及热力学362

9.2 催化剂的开发362

9.3 催化剂的应用362

9.3.1 工艺流程362

9.3.2 操作条件363

9.4 二甲醚的工业生产现状365

参考文献366

第10章 燃料电池及直接甲醇燃料电池催化剂的设计与开发367

10.1 燃料电池简介367

10.1.1 燃料电池的工作原理367

10.1.2 燃料电池的基本类型367

10.1.3 燃料电池的优点368

10.2 直接甲醇燃料电池催化剂的设计与开发369

10.2.1 直接甲醇燃料电池反应机理及热力学369

10.2.2 甲醇电催化氧化机制370

10.2.3 DMFC阳极催化剂的设计与开发371

10.2.4 DMFC催化剂的应用372

参考文献375

第11章 生物催化及己酸乙酯非水相生产酶催化剂的设计与开发376

11.1 生物催化简介376

11.2 酶催化377

11.2.1 酶催化特点及分类377

11.2.2 酶催化反应的机理377

11.2.3 酶催化的应用及发展现状380

11.3 脂肪酶非水相催化生产短链脂肪酸酯383

11.3.1 短链脂肪酸酯及其特性383

11.3.2 短链脂肪酸酯的国内外生产状况383

11.3.3 非水相中脂肪酶催化短链脂肪酸酯合成383

参考文献386

第12章 酶催化合成手性布洛芬的设计与开发387

12.1 布洛芬简介388

12.1.1 布洛芬的物性及应用388

12.1.2 （S）布洛芬的常用制备方法388

12.2 布洛芬酯的酶选择性水解制备（S）布洛芬389

12.2.1 布洛芬酯的酶选择性水解反应拆分布洛芬的机理389

12.2.2 选择性水解布洛芬酯的脂肪酶的选择389

12.2.3 酶选择性水解拆分布洛芬酯的技术路线390

12.2.4 酶选择性水解拆分布洛芬酯的工艺流程390

参考文献391

第13章 环己烷氧化制环己酮仿生催化剂的设计与开发392

13.1 环己酮概述392

13.1.1 环己酮的工业应用392

13.1.2 环己酮生产的工业现状392

13.1.3 环己烷仿生催化氧化制环己酮393

13.1.4 金属卟啉催化氧化的反应机理394

13.2 催化剂的选择394

13.3 催化剂的使用395

13.3.1 工艺流程395

13.3.2 工艺参数选择395

13.3.3 环己烷仿生催化制环己酮优点396

13.4 工业化现状396

参考文献397

第14章 绿色化学与离子液体催化剂的设计与开发398

14.1 绿色化学简介398

14.2 离子液体的功能化及应用399

14.2.1 离子液体的功能化399

14.2.2 离子液体的应用400

14.3 烷氧基苯膦生产用离子液体的设计与开发401

14.3.1 烷氧基苯膦生产的问题分析401

14.3.2 烷氧基苯膦生产用催化剂设计401

14.3.3 催化剂的应用402

14.3.4 离子液体的再生和回收402

参考文献402

第15章 汽车尾气治理用催化剂的设计与开发403

15.1 汽车尾气治理概述403

15.2 汽车尾气净化催化剂的开发404

15.2.1 催化剂的设计404

15.2.2 催化剂的制备405

15.3 催化剂的使用405

15.4 催化剂的发展变化405

参考文献405

第16章 21世纪催化科学与技术面临新机遇、新挑战和新发展406

16.1 能源和化工原料的变化406

16.1.1 能源和化工原料的时代变迁406

16.1.2 原材料到化学品和燃料的转化406

16.2 可再生生物资源的化工和能源利用409

16.3 基于生物质原料生产液体燃料（BTL）的费托合成催化剂411

16.3.1 费托催化剂的活性412

16.3.2 费托催化剂的失活416

16.3.3 费托合成的选择性418

16.4 生物质的直接液化418

16.5 生物质加工的技术平台419

16.6 21世纪催化的现状、挑战与未来420

16.6.1 推动者与拉动者：创新的R3原则421

16.6.2 21世纪催化所面临的挑战421

16.6.3 21世纪催化的未来422

参考文献423

《工业催化剂设计与开发》较全面地介绍了工业催化剂原理、设计与开发的系统知识与应用技术。全书分为16章。第1章论述催化科学和工业催化发展简史；第2章论述催化作用的基本原则和基本模式；第3章论述工业催化剂设计原理和方法；第4章介绍催化材料学；第5章论述工业催化的过程工程；第6章介绍催化作用和催化过程的计算机模拟；第7章论述离子液体及其在环境催化中的应用；第8、9、10章为能源工程中催化技术案例分析；第11、12、13章为生物催化技术案例分析；第14、15章为环境催化技术案例分析；第16章为催化发展展望。《工业催化剂设计与开发》的特点是将催化作用的基本原理、催化新材料、计算机模拟与工业催化剂设计、开发结合起来，并对新世纪人们关注的能源、环境、生物领域中的工业催化技术进行了案例分析。《工业催化剂设计与开发》可作为高等院校化学工程、化学工艺、工业催化、应用化学等化学化工类专业以及环境、材料相关专业的研究生教学用书，也可供从事与催化相关的科研、设计和生产人员参考。