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1、催化原理催化原理主讲：金劭主讲：金劭 应用化学系应用化学系前言n本课程的性质应用化学本科生专业限选课。n主要任务通过学习催化作用的基本原理，了解催 化过程的化学本质，熟悉催化剂制备方法， 掌握常用催化剂的表征方法、了解催化剂失 活原因，催化新材料，并初步了解催化过程 中的几种耦合技术及环境催化的概念。 催化是什么？n催化是一种自然现象，早已在生物体中存在的现象 。生物酶催化是生命的基础（在一个简单的生物细 胞中约有3000个化学反应）n光合作用是一种能量储存与转换方式，叶绿素将光 子吸收后，通过一系列酶催化过程将CO2和水转化为 所能吸收的糖份n人类很早就学会利用自然催化过程。如利用酵素将 各
2、种果子酿成美酒n系统的催化研究始于19世纪初，Davy (1815)进行了 催化燃烧实验, Berzelius (1836) 通过一系列化学实 验，创造了“catalysis”一词,给催化一个初步的定义 。工业催化的发展简史1836,提出“催化作用”的概念 19世纪后半叶至20世纪前20年,工业催化进入了 基础化工催化工艺的开发期1860年CuCl2催化HCl氧化制Cl21875年Pt催化SO2制硫酸甲烷-水蒸气在Ni催化作用下制合成气1902年,Ostwald开发的NH3氧化为NO的硝酸生产工艺1902年, Sabatier开发的催化加氢工艺为油脂加氢工业 奠 定了基础1905年,Ipati
3、eff以白土为催化剂,进行烃类的转化,为 后来的石油加工工艺奠定了基础工业催化的发展简史20世纪30-70年代-炼油和石油化工工业 的蓬勃发展时期 催化裂化和催化重整工艺,提供了大量的三烯和三苯等 优质化工原料,为石油化工工业创造了发展空间 20世纪40年代-合成高分子材料的兴起 20世纪50年代-择行催化与新一代石油炼 制工业 20世纪90年代-手性催化与制药工业催化学科研究催化剂的制备、应用、结构与性能，关系 催化基本原理的一门学科。 包含两重含义：n催化科学研究催化作用的原理n催化技术催化剂制备工艺与应用（含使 用工艺）学习催化的意义n催化作用是现代工业极其重要的过程，是现 代世界最重要
4、的技术之一，如果没有催化作 用，现在的生活将与我们实际所看到的截然 不同。目前，大约85%的化学品与材料是借 助催化作用通过分步反应生产出来的。世界 工业生产产品总值的18%是催化过程生产的 ，居第二位。一些工业催化过程合成氨 FeAl2O3K2O 催化裂化 SiO2Al2O3，沸石 催化重整 Pt，Pt-Re 乙烯水合 H3PO4/硅藻土 乙烯氧化 PdCl2CuCl2 二氧化硫氧化 V2O5硅藻土 氨氧化 Pt 丙烯氨氧化 P-Mo-Bi系 氯乙烯合成 （气相） HgCl2/活性炭 丙烯聚合（低压） TiCl3-AlEt3 F-T合成 Fe，Co，Ni 甲烷化 Ni/Al2O3 催化作用合
5、成了氨气，解催化作用合成了氨气，解 决了全世界粮食问题决了全世界粮食问题氨的催化合成 催化科学研究历史中里程碑n从19世纪后期20世纪初叶，催化应用加速了过程工 业发展，如无机化工中的合成氨、硝酸和硫酸生产 等n1909年7月，F Haber发明高压法合成氨过程，获 得90克产品。Haber因此而获得1918年Nobel Prize。M Bosch在BASF实验室发明的多组分熔铁 催化剂推动了合成氨的工业化。1917年，运用H-B 过程，在BASF形成60吨合成氨生产能力， M Bosch也获得了1931年Nobel Prizen目前，世界合成氨的产量已经达到8000万吨以上我国化学工程与技术
6、学科的发展 中里程碑n1935年8月我国化工的先驱吴蕴 初先生建成上海天利氮气厂生产出 液氨，吴先生还创办了天厨味精厂 （1923）、天原电化厂（1929） 和天盛陶器厂（1934），以及范 旭东在天津创办的永利碱厂，这些 化工原料的生产推动了我国化学工 业的发展n合成氨工业的巨大成功推动了化学 工业迅速发展，也带动了一系列化 学工程基础理论工作，如化工热力 学、化学工艺学、工业催化等。氨 合成催化剂的研究与改进已经尝试 10万多个配方，至今仍是催化界 研究的方向。利用催化作用（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出各利用催化作用（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出各 种燃料（汽油、柴油和煤油
7、）去驱动汽车、飞机等交通工具种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具炼油厂之夜炼油厂之夜n1928年发现的多孔白土催化剂应用于重油裂化过程(cracking technology ) ，生产了高辛烷值燃料(higher octane fuel ) ，使得二战期间盟军战斗机获得更好的燃料n20世纪60年代，美国Mobile公司将原先用于分离过程的沸石分子筛原先用于分离过程的沸石分子筛作为新催化材料应用于催化裂化后，催化裂化技术出现了重大突破，炼 油工业产生新的飞跃。采用稀土促进的沸石分子筛裂化催化剂后，炼 油装置的生产能力和汽、柴油产量大幅度提高。在美国只经过短短的 四五年时间就取代
8、了传统的硅铝催化剂，被誉为“炼油工业的技术革炼油工业的技术革命命”n1967年，发展了双金属重整催化剂（Pt-Re, Pt-Ir)，提高了汽油品质催化科学进步使石油化工迅速发展成 世界经济支柱产业我们依赖催化作用通过石油化工过程我们依赖催化作用通过石油化工过程 生产各种高分子材料（工程塑料、橡生产各种高分子材料（工程塑料、橡 胶和功能高分子材料）胶和功能高分子材料）19571957年年Ziegler-Ziegler-NattaNatta发明了用于烯烃聚合的发明了用于烯烃聚合的 催化剂体系的研究，使聚烯烃的大规模生产成催化剂体系的研究，使聚烯烃的大规模生产成 为可能，推动了以塑料工业为标志的高分
9、子材为可能，推动了以塑料工业为标志的高分子材 料工业的崛起，料工业的崛起， Ziegler-Ziegler-NattaNatta分享了分享了19631963年年 诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。催化技术是变革石油化工过程的核心石油化工炼油工艺石油化工技术精细石油化学 品技术汽油、 柴油、 润滑油乙烯、丙 烯、丙酮 、甲苯等 等精细化 学品化工新 材料n改进现有催化剂体系，革新已有反应工艺路线，促进新工 艺过程开发，提高目标产品的收率和选择性，改善产品质 量n n利用廉价的催化材料，开发低成本、高活性的催化剂利用廉价的催化材料，开发低成本、高活性的催化剂n通过新型催化剂的开发，更新化工生产原料路线，
10、采用更 廉价的起始原料，增加产品竞争能力n n缓解工艺操作，达到节能降耗的目的缓解工艺操作，达到节能降耗的目的n为环境友好的化学工艺和化工新产品开发而研制催化剂n n解决新能源、环境保护、新材料和生物技术等新技术领域解决新能源、环境保护、新材料和生物技术等新技术领域 中涉及的催化问题中涉及的催化问题新催化剂的发明，是新工艺诞生的源泉新催化剂的发明，是新工艺诞生的源泉 ，也是技术飞跃的动力，也是技术飞跃的动力催化反应过程与绿色化学工艺绿色化学绿色化学是给化学家出的课题。 而实现过程工业“零排放零排放”是化学 工程师的主要任务n n环境催化：环境催化：19761976年，汽车尾气排放控制催化剂产生
11、，年，汽车尾气排放控制催化剂产生，19801980年运年运 用于汽车工业，有效减少用于汽车工业，有效减少NONOx x的排放（的排放（Pt/AlPt/Al2 2OO3 3to Pt- to Pt-RhRh) )n n不对称催化合成医药或医药中间体不对称催化合成医药或医药中间体n n依赖（酶）催化作用增强人体机能（催化抗体、催化依赖（酶）催化作用增强人体机能（催化抗体、催化RNARNA）n n固定化酶和细胞：现状与未来固定化酶和细胞：现状与未来n n多相催化剂表面的不均匀位多相催化剂表面的不均匀位n n利用催化还可以改进食品，如采用镍基催化剂进行食用油精制。利用催化还可以改进食品，如采用镍基催化
12、剂进行食用油精制。n n新能源技术中催化作用新能源技术中催化作用催化在新技术产业中的作用现代工业科技的发展离不开催化技术的应用，尤其是化工、 食品、制药、新材料、新能源、环境保护技术与生物科技等 产业。催化研究新方向可具体概括成以下几个方面：电化学和光电化学中的催化剂（燃料电池、光敏化 电池、太阳能电池等）电动汽车天然气催化氧化未来能源科技的核心新新能源技术中的催化作用能源技术中的催化作用催化科学的特点n发展迅速n实践性强n综合性强金属多相催化反应机理动力学（宏观水平）动态学（微观水平）催化剂的表征结构纹理组织光谱与衍射催化剂的合成固态化学表面与胶体化学金属有机化学教材催化作用基础（第三版）
13、甄开吉、王国甲、李荣生、毕颖丽、阚秋斌科学出版社推荐阅读文献nMichael Bowker, The Basis and Applications of Heterogeneous Catalysis, Oxford Press, 1998nJ.M.Thomas, W.J.Thomas, Principles and practice of heterogeneous catalysis, VCH, 1997n黄仲涛主编，工业催化，化学工业出版社，2000n催化剂设计与制备工艺 许越 化学工业出版社n多相催化剂的研究方法 尹元根 化学工业出版社n催化学报、石油化工、分子催化、工业催化 和化学反应工程与工艺、化工学报和高校化学工程 学报等中文期刊nAIChE Journal nJournal of CatalysisnApplied Catalysis A, B, C nCatalysis Today nChemical Engineering Science
