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1、工业催化原理,陈长林 化学化工学院,工业催化课程主要参考书,工业催化 黄仲涛 主编 化学工业出版社 催化作用基础（第三版） 甑开吉等编 著 科学出版社 2005年 分子筛与多孔材料化学 徐如人 等著 科学出版社2004年 固体催化剂研究方法（上、下册） 辛勤 主编 科学出版社2004年,国外重要催化期刊 http:/ http:/,http:/,Journal of Catalysis (IF 2004: 4.063, 2005:4.780 2006 :4.533 ) Applied Catalysis A: General ( IF 2004:2.378 2005: 2.728 2006:
2、 2.630) Applied Catalysis B: Environmental (IF 2004: 4.042 2005: 3.809 2006: 3.942 ) Catalysis Today (IF 2005: 2.365, 2006: 2.148 ) Catalysis Communications (IF 2005: 2.098 2006: 1.878),期刊影响因子：该刊前2年发表的论文在统计当年被引用的总次数与该刊前2年发表论文总数之比。,http:/,Journal of Molecular Catalysis A:Chemical (IF 2005: 2.348 2006
3、:2.511 ) Elsevier Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic ( IF 2005: 1.685 2006: 2.149 ) Elsevier Chinese Journal of Catalysis (IF 2006 :0.659 ) Elsevier Microporous and Mesoporous Materials (IF 2005: 3.355, 2006: 2.796 ) Elsevier,http:/,Catalysis Letters including heterogeneous, homogeneous and
4、enzymatic catalysis ( IF 2004:1.904 2005: 2.088 2006: 1.772) Reaction Kinetics and Catalysis Letters related to heterogeneous, homogeneous reaction kinetics and catalysis ( IF 2005: 0.67, 2006: 0.514) Topics in Catalysis the trends of the current research in catalysis ( IF 2004:2.493 2005: 2.547 200
5、6: 2.321),国内催化期刊,催化学报 （SCIE收录) 分子催化 工业催化,工业催化在现代化学工业中的作用,现代化学工业的许多过程，都或多或少地与催化剂使用有关， 90以上的化工产品，是借助催化剂生产出来的。 无机化工领域的合成氨、硝酸、硫酸等的生产 石油加工领域的催化裂化、催化重整等 有机化工原料中的甲醇、醋酸、丙酮等的生产 煤化工中的催化液化与气化 高分子化工中的聚合物材料的生产等 药物、精细化学品生产的大多数过程需催化剂参与； 环境保护也需借助催化过程。,工业催化剂市场,工业催化剂市场主要有三大领域： （1）炼油催化剂市场(是最大的)； （2）化学品生产催化剂市场； （3）环保催化
6、剂市场。,2001年以来与催化研究有关的 诺贝尔化学奖,2001年诺贝尔化学奖,表彰他们在更好地控制化学反应方面所作出的贡献 美国的威廉诺尔斯（William S. Knowles， USA )、日本的野 依良治（Ryoji Noyori ，Japan) for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献 美国的巴里夏普莱斯（K. Barry Sharpless， USA) for his work on chirally catalysed oxidation reaction
7、s表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就,有机分子的手性及作用,手性化学品是指具有左或右旋对映体化学结构的单一对映体药物，包括光学纯药品、光学纯农业化学品及其它光学纯产品与中间体。 目前使用中的化学合成药通常为由左、右两个对映体组成的混合物。 许多药物真正起作用的是一种对映体，而另一种对映体不仅无药理作用，还会造成副作用。单一异构体手性化学品药物既有良好药效，又能最大程度消除副作用,诺尔斯首次获得催化合成 手性化合物的成功,用来治疗帕金森氏病的叫作L-多巴的 右旋分子是非活性的。 在最初的合成中，生产出来的两种形式(左旋的和右旋的)数量相等，而分离它们的费用昂贵。 用合成催化剂是否可能只
8、生产左旋形式的? 这种工业合成在孟山都(Monsanto)公司的威廉诺尔斯首次获得成功，1974年取得选择合成L-多巴的专利。,2005年诺贝尔化学奖,表彰他们在有机化学的烯烃复分解反应研究方面作出重要贡献。 法国石油研究所的伊夫肖万(Yves Chauvin) 1971年，伊夫肖万详细解释了换位反应的化学机理，说明是何种金属化合物能够充当有机化学反应中的催化剂。现在，换位合成法已经为世人所知。 麻省理工学院的理查德施罗克 (Richard R. Schrock) 1990年,是世界上第一个生产出可有效用于换位合成法中的金属化合物催化剂的科学家。 加州理工学院的罗伯特格拉布 （Robert H
9、. Grubbs） 1992年,研制出一种更好的催化剂，这种催化剂在空气中很稳定，因此在实际生活中有多种用途。,烯烃复分解反应催化剂 金属的卡宾化合物,M= Mo, W, Ru,烯烃复分解反应几种类型,在金属的卡宾化合物催化的有机化合物合成,2005年诺贝尔化学奖成果评价,烯烃复分解反应在化学工业中有重要应用，主要用于研制新型药物和合成先进的塑胶材料。在三位科学家的努力下，烯烃复分解反应变得更加有效，反应步骤比以前简化了，所需要的资源也大大减少，材料浪费也少多了；使用起来也更加简单，只需要在正常温度和压力下就可以完成，对环境的污染也大大降低。 从原子经济性、反应条件、催化剂的催化活性、合成路线
10、的长短看，烯烃复分解反应使“人们向着绿色化学迈出了重要一步”，大大减少了有害废物对人们的危害。,2007年诺贝尔化学奖,表彰德国马普弗利兹-哈伯研究所（Fritz-Haber-Institut ）Gerhard Ertl的固体表面化学的研究。物质接触表面发生的化学反应对工业生产至关重要； 研究成果有助于理解各种不同的过程 ； 他的实验研究，为表面化学开创了一种新的研究方法，即怎样用不同的实验步骤来描绘出一个完整的表面反应。,Ertl固体表面化学研究的意义,Ertl开创了一种全新的实验学派， 证明了在高难度的领域也可以得到可靠的结果，为现代表面化学研究奠定了基础。他的方法论不仅仅被应用于学术研究
11、，还包括化学过程相关产业的发展。 Ertl开发的氨合成方法不仅仅基于他对哈伯博施法（Haber-Bosch process，用氢和氮来直接合成氨）的研究，他同时利用铁的表面作为催化剂。这一成果带来了难以估量的经济效益。 Ertl还研究了一氧化碳在铂表面催化下的氧化反应，现在汽车中利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放正是基于该项研究的成果。,工业催化研究目前注重的问题,催化技术的发展，除对传统石油化工不断更新改造外，在根治环境污染、开发新环境友好工艺催化技术将发挥关键作用。 石油资源的短缺，以天然气和煤为基础C1化工是未来的发展趋势。利用天然气生产合成液体燃料、替代液化石油气和车用柴油的二甲醚、经甲
12、醇合成乙烯和丙烯的MTO及MTP工艺已成为当今C1化工研究开发重点，而开发新型高效催化剂是关键。 从长远发展看，生物催化、生物质资源的催化转化，是可持续发展的需要。,工业催化原理课程主要内容,第一章、催化作用与催化剂 第二章、吸附作用与多相催化 第三章、酸碱催化剂及其催化作用 第四章、分子筛催化剂及其催化作用 第五章、金属催化剂及其催化作用 第六章、金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用(光催化) 第七章、酶及其催化作用简介 第八章、工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征 第九章、工业催化剂的制备与使用,第一章 催化剂与催化作用,-本章主要内容 催化剂的基本概念和催化作用的基本特征 催化剂的组成与
13、功能 工业催化剂的基本要求,提高反应速度的方法,工业上的一个化学反应，要能以一定的速度进行，即在单位时间内能够获得足够数量的产品。 提高反应速度的手段： 加热的方法 光化学方法 电化学方法 催化方法 既能提高反应速度，又能控制反应方向,什么是催化剂?,催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。 催化剂将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催化剂再回到其原始状态。更简单地说，催化剂是一种加速化学反应，而在其过程中自身不被消耗掉的物质。 许多种类物质可用来作催化剂，包括金属、金属化合物(如金属氧化物、硫化物等)、有机金属络合物、酶或细胞等。,活性中心与转换频率,
14、催化剂并非所有的部分都参与反应物到产物的转化，因此那些参与的部分被称为活性中心。大多数工业催化剂使用的形式是多孔小球，每一个小球一般包含1018个催化中心。 转换频率是指每个催化中心上单位时间内产生的给定产物的分子数。 催化剂在更换前每个催化活性中心上的催化循环周转超过十亿（109)次。,催化剂是如何加速反应速率的？,无催化剂时合成氨的活化能,对于N2+3H2=2NH3反应，无催化剂存在时，在500oC、常压条件下，反应活化能高，334 kJ/mol 。此条件下反应速度极慢，竞不能觉察出氨的生成。,催化剂存在下合成氨的 反应途径与活化能,有催化剂存在下，在催化剂表面发生了如下所示的一系列表面作
15、用过程，最后生成了氨分子。催化反应的速率控制步骤是氮解离步骤，该步的活化能70 kJ/mol 。 催化剂为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。不同的催化剂的催化反应活化能可能不同。,N2+3H2=2NH3的催化反应途径,催化作用的四个基本特征,催化作用的特征（1）,催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。 在开发一种新的化学反应的催化剂时，首先要对该反应体系进行热力学分析，看在给定的条件下是否属于热力学上可行的反应。,催化作用的特征（2）,催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡的位置（平衡常数）。 化学平衡是由热力学决定的 G0RT1nKP ， 其中KP为
16、反应的平衡常数，G0是产物与反应物的标准自由焓之差，是状态函数，只决定于过程的始终态，而与过程无关，催化剂的存在不影响G0值，它只能加速达到平衡所需的时间，而不能移动平衡点。,不能改变平衡的位置的例子 乙苯脱氢制苯乙烯,催化剂不能改变平衡位置 -实例,乙苯脱氢制苯乙烯，在600常压、乙苯与水蒸汽摩尔比为1：9时，按平衡常数计算，达到平衡后苯乙烯的最大产率为72.3，这是平衡产率，是热力学所预示的反应限度。为了尽可能实现此产率，可选择良好催化剂以使反应加速。但在反应条件下，要想用催化剂使苯乙烯产率超过72.8是不可能的。,不能改变平衡的位置的另一例子 烷烃异构化,不同异构体的辛烷值不相同,辛烷值的定义,辛烷值：汽油在汽油机中燃烧时的抗震性指标 。 汽油辛烷值大，抗震性好，质量也好。 常以标准异辛烷值规定为100，正庚烷的辛
