催化剂基础及应用

2011-8  

季生福 化学工业出版社 (2011-08出版)  

季生福  

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无  

催化剂在现代化学工业中具有重要的作用，从无机化学工业中的合成氨、硝酸和硫酸等的生产；石油化工中的催化裂化、催化重整，精细化学品和三大合成材料等的生产；煤化工中的直接转化和间接转化；环境治理中固定源和移动源污染物的消除；再到目前正在大力开展的节能减排和与化学相关的新能源研究，都与催化剂密切相关。因此，催化剂和催化技术的研究与应用，对国计民生也是至关重要的。 由于催化剂的广泛应用，除了催化专业的教师、学生和科技人员，越来越多的非催化专业人士也需要熟悉和掌握催化剂的相关知识。因此，本书从催化剂的基础知识入手，简要阐述了催化剂及其催化作用的基本原理，然后按催化反应类型，分别介绍了酸碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、均相催化剂、环境催化剂、生物催化剂和光催化剂的催化作用基础和应用，并且介绍了催化剂的常用制备方法及成型、催化剂的性能测定和结构研究方法，最后简单介绍了催化剂的设计和几种新型催化材料。本书的目的是期望对催化专业的教师、学生和科技人员有所参考，同时对非催化专业的人士有所启发，对全民普及科技专业知识有所帮助。 本书由北京化工大学季生福教授、北京石油化工学院张谦温教授、西北大学赵彬侠教授共同编写。书中第1、5、6、10～12章由季生福教授撰写，第2～4、13章由张谦温教授撰写，第7～9章由赵彬侠教授撰写，全书由季生福教授统稿。 本书力求内容丰富、概念清晰，将催化剂基础知识、催化作用原理和应用实例相结合，以激发读者的兴趣，启发读者的思路。 由于编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请同行专家和广大读者批评指正。 编者 2010年6月于北京

　　《催化剂基础及应用》全面地介绍了催化剂的基础知识及其应用。全书包括13章，第1～3章分别介绍了催化剂与催化作用的基础知识，吸附作用与多相催化；第4～10章分别介绍了酸碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、均相催化剂及催化作用，环境催化、生物催化、光催化的催化作用基础及应用；第11章介绍了催化剂的常用制备方法及成型；第12章介绍了催化剂的性能测定以及结构研究方法；第13章介绍了催化剂的设计以及几种新型催化材料。　　本书可作为高等院校化学、化工及相关专业的本科生和研究生教材，也可作为科研、工程技术人员的参考书。

第1章 绪论1 1.1催化剂及其催化作用1 1.2催化剂的重要应用领域2 1.3一些常用术语3 第2章 催化剂与催化作用的基础知识7 2.1催化剂的特征7 2.2催化反应和催化剂分类9 2.2.1催化作用的化学本质9 2.2.2催化剂分类10 2.3固体催化剂的组成和结构14 2.3.1催化剂的组成14 2.3.2催化剂的结构16 2.4催化剂的性能和工业催化剂的基本要求19 2.4.1催化剂性能19 2.4.2工业催化剂的基本要求20 2.5多相催化反应体系分析21 第3章 吸附作用与多相催化24 3.1物理吸附与化学吸附24 3.1.1物理吸附24 3.1.2化学吸附25 3.1.3物理吸附与化学吸附的差别26 3.1.4吸附位能曲线27 3.1.5吸附热随表面覆盖度的变化28 3.1.6化学吸附强弱与催化活性的关系29 3.2化学吸附的类型和化学吸附态30 3.2.1化学吸附的类型30 3.2.2化学吸附态32 3.3吸附动力学34 3.3.1吸附和脱附速率的基本方程34 3.3.2吸附等温线的各种模型35 3.3.3气固吸附等温线的类型39 3.4催化反应动力学43 3.4.1反应速率定义44 3.4.2符合Langmuir吸附模型的动力学方程44 第4章 酸碱催化剂及催化作用46 4.1酸碱催化剂的应用和分类46 4.2酸碱的定义和酸碱催化活性中心的形成47 4.3固体酸的性质48 4.4酸碱催化机理49 4.4.1酸中心的形成49 4.4.2酸碱催化作用机理53 4.5分子筛催化剂56 4.5.1分子筛的概念56 4.5.2分子筛的结构特征56 4.5.3几种具有代表性的分子筛58 4.5.4分子筛的催化作用机理60 4.6典型酸碱催化实例分析61 4.6.1催化裂化工艺简介62 4.6.2催化裂化的反应机理62 4.6.3催化裂化装置的工艺流程64 第5章 金属催化剂及催化作用66 5.1金属催化剂的结构66 5.1.1金属(合金)的晶体结构66 5.1.2金属(合金)的电子结构69 5.1.3金属(合金)的表面结构71 5.2金属催化剂的特征和催化作用75 5.2.1金属催化剂的特征75 5.2.2金属催化剂的催化作用原理——多位理论75 5.2.3金属催化剂的表面化学吸附态78 5.3负载型金属催化剂82 5.3.1金属粒径与催化活性的关系82 5.3.2多功能催化剂的构建83 5.3.3金属与载体之间的相互作用83 5.3.4催化活性组分的迁移和烧结85 5.4金属催化剂的应用及实例分析85 5.4.1烃类加氢、脱氢反应86 5.4.2烃类氧化反应88 5.4.3氨的合成反应88 5.4.4费托合成反应89 第6章 金属氧化物催化剂及催化作用92 6.1金属氧化物的组成和结构特性92 6.1.1金属氧化物的成键92 6.1.2单一金属氧化物93 6.1.3复合金属氧化物93 6.1.4杂多酸复合氧化物97 6.2金属氧化物催化剂的催化作用99 6.2.1金属氧化物催化剂的催化作用机理100 6.2.2金属氧化物催化剂的表面氧物种及其作用100 6.2.3金属氧化物催化剂的酸碱性与催化性能的关系102 6.3金属氧化物催化剂对反应分子的吸附和活化104 6.3.1金属氧化物催化剂对烃分子的吸附和活化104 6.3.2H2的吸附和反应性106 6.3.3CO的吸附和反应性106 6.3.4NO的吸附和反应性107 6.4金属氧化物催化剂的工业应用实例107 6.4.1丙烯氧化制丙烯醛和丙烯酸107 6.4.2丙烯氨氧化制丙烯腈109 6.4.3异丁烯选择性氧化制甲基丙烯酸110 6.4.4丁烯氧化脱氢制丁二烯111 6.4.5正丁烷选择性氧化制顺丁烯二酸酐111 第7章 均相催化剂及催化作用114 7.1均相络合催化剂的应用及其特征114 7.1.1均相络合催化剂的应用114 7.1.2均相络合催化剂的特征115 7.2过渡金属络合物的化学成键作用116 7.2.1过渡金属离子与络合物的配位键合与络合活化116 7.2.2络合催化循环117 7.3络合催化机理118 7.3.1配位取代或交换反应118 7.3.2氧化加成和还原消除反应119 7.3.3插入反应和消除反应120 7.3.4σπ重排121 7.4均相络合催化实例分析121 7.4.1烯烃加氢121 7.4.2乙烯氧化制乙醛122 7.4.3羰基合成124 第8章 环境催化基础129 8.1概述129 8.1.1环境催化的应用129 8.1.2环境催化剂的特点129 8.2催化脱硫130 8.2.1SO2的危害及污染现状130 8.2.2催化脱硫方法130 8.3催化净化NOx技术140 8.3.1NOx的来源及危害140 8.3.2催化净化NOx141 8.4汽车尾气的催化净化144 第9章 生物催化基础147 9.1概述147 9.1.1生物催化剂的概念147 9.1.2生物催化与绿色化学147 9.1.3生物催化与手性合成148 9.1.4生物催化技术的现状148 9.2生物催化剂的特征149 9.2.1生物催化剂的专一性149 9.2.2生物催化剂的优势150 9.2.3生物催化剂的劣势150 9.2.4生物催化剂的形式151 9.3生物催化作用原理151 9.3.1酶的分子结构151 9.3.2酶的结构与催化功能154 9.3.3酶的辅助因子155 9.3.4酶的催化作用机制155 9.3.5酶催化作用动力学157 9.3.6生物催化剂的制备158 9.3.7生物催化剂的固定化160 9.4生物催化剂的应用161 9.4.1酶及催化反应的类型161 9.4.2水解反应162 9.4.3还原反应165 9.4.4氧化反应166 9.4.5转移反应167 9.4.6加成反应167 9.4.7异构反应168 9.5生物催化的发展趋势168 9.5.1生物催化剂筛选168 9.5.2生物催化剂改良169 9.5.3仿生酶的研究169 第10章 光催化基础170 10.1光催化的一些基本概念170 10.1.1光催化反应与光催化剂170 10.1.2光催化反应的类型170 10.1.3光化当量定律和量子产率171 10.2光催化的基本原理171 10.2.1催化剂光活化过程171 10.2.2反应物光活化过程174 10.3光催化的一些应用实例175 10.3.1光催化分解水175 10.3.2有机污染物光催化降解177 10.3.3金属离子的光催化还原177 第11章 催化剂的制备和成型178 11.1沉淀法178 11.1.1不同类型的沉淀法178 11.1.2沉淀法操作的技术要点181 11.2浸渍法182 11.2.1等体积浸渍法182 11.2.2过量浸渍法182 11.2.3多次浸渍法183 11.2.4浸渍沉淀法183 11.2.5流化喷洒浸渍法183 11.2.6蒸气相浸渍法183 11.3溶胶凝胶法184 11.3.1溶胶凝胶法的基本原理184 11.3.2溶胶的制备184 11.3.3凝胶过程184 11.4离子交换法185 11.4.1无机离子交换剂及其催化剂的制备185 11.4.2有机离子交换剂及其催化剂的制备185 11.5热熔融法186 11.5.1熔铁催化剂186 11.5.2过渡金属骨架催化剂186 11.6混合法187 11.7催化剂的成型、干燥、焙烧与活化187 11.7.1催化剂的成型187 11.7.2催化剂的干燥189 11.7.3催化剂的焙烧与活化189 第12章 催化剂的研究方法190 12.1催化剂的性能测定方法190 12.1.1催化剂活性的测定190 12.1.2催化反应动力学的测定191 12.2催化剂宏观物理性质的测定193 12.2.1比表面积、孔结构等的测定193 12.2.2颗粒直径、粒径分布的测定196 12.2.3机械强度的测定198 12.3催化剂微观性质的测定和表征199 12.3.1X射线衍射法199 12.3.2X射线光电子能谱法201 12.3.3电子显微镜法205 12.3.4红外和拉曼光谱法206 12.3.5核磁共振法211 12.3.6热分析法216 12.3.7程序升温技术217 第13章 催化剂设计和催化新材料220 13.1催化剂设计的综合分析220 13.2主催化剂设计222 13.3助催化剂设计223 13.4催化剂载体的选择224 13.5催化剂设计实例——汽车尾气净化催化剂225 13.5.1问题的提出225 13.5.2反应机理分析225 13.5.3催化剂的开发226 13.6催化新材料的应用229 13.6.1过渡金属碳化物229 13.6.2非晶态合金229 13.6.3介孔材料（介孔分子筛）230 13.6.4中孔分子筛的合成体系和合成路线231 参考文献233

由季生福、张谦温和赵彬侠编写的《催化剂基础及应用》从催化剂的基础知识入手，简要阐述了催化剂及其催化作用的基本原理，然后按催化反应类型，分别介绍了酸碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、均相催化剂、环境催化剂、生物催化剂和光催化剂的催化作用基础和应用，并且介绍了催化剂的常用制备方法及成型、催化剂的性能测定和结构研究方法，最后简单介绍了催化剂的设计和几种新型催化材料。本书的目的是期望对催化专业的教师、学生和科技人员有所参考，同时对非催化专业的人士有所启发，对全民普及科技专业知识有所帮助。

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