中科院研究生課件《催化道理》目錄contents催化基本概念與原理均相催化反應(yīng)體系多相催化反應(yīng)體系酶催化與仿生催化光催化和電催化過程催化劑制備方法與表征技術(shù)催化反應(yīng)工程實(shí)踐01催化基本概念與原理催化劑能夠改變化學(xué)反應(yīng)速率，而自身在反應(yīng)前后不發(fā)生改變的作用。催化作用定義根據(jù)催化作用的不同方式，可分為均相催化和非均相催化兩大類。催化作用分類催化作用定義及分類催化劑通常由活性組分、助劑和載體等組成。催化劑具有特定的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、多孔性、吸附性和催化活性等。催化劑組成與性質(zhì)催化劑性質(zhì)催化劑組成反應(yīng)機(jī)理催化反應(yīng)遵循一定的反應(yīng)歷程，包括反應(yīng)物吸附、表面反應(yīng)和產(chǎn)物脫附等步驟。動力學(xué)研究催化反應(yīng)的動力學(xué)研究可以揭示反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系，為催化劑設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。反應(yīng)機(jī)理與動力學(xué)催化劑活性是指催化劑對反應(yīng)物分子的活化能力，通常用單位時(shí)間內(nèi)單位催化劑上反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率來表示。催化劑活性催化劑選擇性是指催化劑在促進(jìn)某一化學(xué)反應(yīng)時(shí)，對不同反應(yīng)方向的促進(jìn)作用不同，使得某一方向的反應(yīng)速率加快，而其他方向的反應(yīng)速率相對減慢。催化劑選擇性催化劑穩(wěn)定性是指催化劑在長期使用過程中保持其活性和選擇性的能力，包括熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等。催化劑穩(wěn)定性催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性02均相催化反應(yīng)體系均相催化是指催化劑和反應(yīng)物處于同一相態(tài)（通常是液態(tài)）中的催化作用。定義特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域反應(yīng)物和催化劑分子間接觸充分，反應(yīng)速率快，但催化劑分離和回收困難。廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、石油化工、藥物合成等領(lǐng)域。030201均相催化概述

酸堿催化反應(yīng)酸催化通過提供質(zhì)子或接受電子對來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，常見的酸催化劑包括硫酸、磷酸、酸性離子交換樹脂等。堿催化通過提供電子對或接受質(zhì)子來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，常見的堿催化劑包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、堿性離子交換樹脂等。酸堿共同催化在某些反應(yīng)中，酸和堿可以協(xié)同作用，共同促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。配位催化是指催化劑通過與反應(yīng)物分子形成配位鍵來活化反應(yīng)物分子，降低反應(yīng)活化能，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。配位催化概述金屬離子與配體形成配合物，通過改變金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和立體構(gòu)型來活化反應(yīng)物分子。金屬配合物催化有機(jī)金屬化合物作為催化劑，通過金屬-碳鍵的形成和斷裂來活化反應(yīng)物分子。有機(jī)金屬催化配位催化反應(yīng)過渡金屬催化過渡金屬具有未填滿的d電子殼層，能夠參與多種氧化還原反應(yīng)，是常見的氧化還原催化劑。氧化還原催化概述氧化還原催化是指催化劑通過參與氧化還原反應(yīng)來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，通常涉及電子的轉(zhuǎn)移。酶催化酶作為生物催化劑，在生命體內(nèi)發(fā)揮著重要的氧化還原催化作用，如細(xì)胞呼吸、光合作用等過程中的酶催化反應(yīng)。氧化還原催化反應(yīng)03多相催化反應(yīng)體系定義與特點(diǎn)多相催化是反應(yīng)物與催化劑處于不同物相的催化作用，具有反應(yīng)條件溫和、催化劑易分離回收等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)類型包括氧化、還原、氫化、脫氫、異構(gòu)化、合成等多種類型。工業(yè)應(yīng)用廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。多相催化概述包括過渡金屬、貴金屬等，如鐵、鈷、鎳、銅、銀、金等。金屬催化劑種類金屬催化劑通過提供活性中心，降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。同時(shí)，金屬催化劑的電子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)等也會影響催化效果。作用機(jī)制如合成氨、費(fèi)托合成、加氫精制等。工業(yè)應(yīng)用金屬催化劑及其作用機(jī)制包括氧化鋁、氧化硅、氧化鈦等，具有酸堿性和氧化還原性，廣泛應(yīng)用于多種有機(jī)和無機(jī)反應(yīng)。氧化物催化劑如硫化鈷、硫化鉬等，主要用于加氫脫硫、加氫脫氮等石油煉制過程。硫化物催化劑通過溶膠-凝膠法、沉淀法、浸漬法等制備催化劑，并通過摻雜、負(fù)載等改性方法提高催化性能。制備與改性氧化物和硫化物催化劑酸性催化酸性催化劑提供質(zhì)子或空軌道，促進(jìn)烴類裂解、異構(gòu)化等反應(yīng)進(jìn)行。常見的酸性催化劑有分子篩、硫酸等。堿性催化堿性催化劑提供孤對電子，促進(jìn)醛酮縮合、酯交換等反應(yīng)進(jìn)行。常見的堿性催化劑有氧化鈣、氫氧化鉀等。氧化還原性催化氧化還原性催化劑通過得失電子促進(jìn)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行。常見的氧化還原性催化劑有過渡金屬氧化物、貴金屬等。這些催化劑在合成氨、氧化脫氫等反應(yīng)中具有廣泛應(yīng)用。酸堿性和氧化還原性多相催化04酶催化與仿生催化酶催化基本原理及特點(diǎn)酶催化作用的高效性酶通過降低反應(yīng)活化能，使反應(yīng)在溫和條件下進(jìn)行，且具有極高的催化效率。酶催化的專一性酶對底物具有嚴(yán)格的選擇性，只能催化特定的化學(xué)反應(yīng)。酶催化的條件溫和性酶催化反應(yīng)一般在常溫、常壓和近中性pH條件下進(jìn)行，符合綠色化學(xué)的要求。123酶活性中心由結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)組成，其中結(jié)合基團(tuán)負(fù)責(zé)與底物結(jié)合，催化基團(tuán)則促進(jìn)底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。酶活性中心的組成酶活性中心的空間結(jié)構(gòu)高度特化，形成獨(dú)特的三維構(gòu)象，以適應(yīng)底物的結(jié)合和催化反應(yīng)的需要。酶活性中心的空間結(jié)構(gòu)酶活性中心的微環(huán)境對催化反應(yīng)具有重要影響，包括疏水性、靜電場和氫鍵等作用。酶活性中心的微環(huán)境酶活性中心結(jié)構(gòu)和功能03仿生催化與計(jì)算化學(xué)的結(jié)合計(jì)算化學(xué)可為仿生催化提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)，促進(jìn)催化劑的優(yōu)化和篩選。01仿生催化的設(shè)計(jì)思路仿生催化旨在模擬酶的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)和合成具有高效、專一和條件溫和的人工催化劑。02仿生催化的應(yīng)用仿生催化在有機(jī)合成、藥物制備、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。仿生催化設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用人工模擬酶的發(fā)展歷程人工模擬酶經(jīng)歷了從簡單模擬到復(fù)雜模擬、從單一功能到多功能的發(fā)展歷程。人工模擬酶的研究現(xiàn)狀目前，人工模擬酶在結(jié)構(gòu)模擬、功能模擬和機(jī)理研究等方面取得了重要進(jìn)展。人工模擬酶的未來展望未來，人工模擬酶將更加注重實(shí)用性和可持續(xù)性，致力于解決能源、環(huán)境和健康等領(lǐng)域的重大問題。人工模擬酶體系研究進(jìn)展05光催化和電催化過程基本原理光催化是利用光能驅(qū)動催化劑促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過程，通過吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，進(jìn)而參與氧化還原反應(yīng)。應(yīng)用領(lǐng)域光催化技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境凈化、能源轉(zhuǎn)化、有機(jī)合成等領(lǐng)域，如光解水制氫、光催化降解有機(jī)污染物等。光催化基本原理及應(yīng)用半導(dǎo)體材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，能夠吸收特定波長的光并產(chǎn)生電子-空穴對，是實(shí)現(xiàn)光催化的關(guān)鍵材料。半導(dǎo)體特性常見的光催化半導(dǎo)體材料包括二氧化鈦、氧化鋅、硫化鎘等，它們具有不同的能帶位置和禁帶寬度，適用于不同的光催化反應(yīng)。常見半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料在光催化中作用電催化過程及機(jī)制電催化過程電催化是通過電極反應(yīng)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過程，涉及電子在電極與反應(yīng)物之間的轉(zhuǎn)移，可實(shí)現(xiàn)多種有機(jī)和無機(jī)反應(yīng)。機(jī)制解析電催化機(jī)制包括直接電子轉(zhuǎn)移和間接電子轉(zhuǎn)移兩種類型，前者是反應(yīng)物直接在電極表面得失電子，后者是通過電解質(zhì)中的氧化還原媒介進(jìn)行電子傳遞。燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通過催化劑促進(jìn)燃料（如氫氣、甲醇等）與氧氣在電極上的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流和熱能。燃料電池電解水是利用電能將水分解為氫氣和氧氣的過程，通過電催化劑降低分解反應(yīng)的活化能，提高能源轉(zhuǎn)化效率。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源轉(zhuǎn)化和儲存的重要手段之一。電解水技術(shù)燃料電池和電解水技術(shù)06催化劑制備方法與表征技術(shù)化學(xué)法包括共沉淀、溶膠-凝膠、化學(xué)氣相沉積等方法，通過化學(xué)反應(yīng)在分子水平上實(shí)現(xiàn)活性組分與載體的結(jié)合。生物法利用微生物或酶等生物大分子的特殊功能，制備具有特定結(jié)構(gòu)和性能的催化劑。物理法包括機(jī)械混合、沉淀、浸漬、離子交換等方法，主要利用物理作用將活性組分負(fù)載到載體上。催化劑制備方法分類將活性組分與載體機(jī)械混合，通過研磨、球磨等手段實(shí)現(xiàn)均勻分散。機(jī)械混合法沉淀法浸漬法離子交換法利用沉淀反應(yīng)將活性組分負(fù)載到載體上，常用的沉淀劑包括氫氧化鈉、碳酸鈉等。將載體浸入含有活性組分的溶液中，通過吸附或化學(xué)反應(yīng)使活性組分負(fù)載到載體上。利用離子交換原理，將載體上的可交換離子與活性組分進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)活性組分的負(fù)載。物理法制備技術(shù)化學(xué)法制備技術(shù)共沉淀法在含有多種金屬離子的溶液中加入沉淀劑，使金屬離子共同沉淀下來，形成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的催化劑。溶膠-凝膠法將金屬醇鹽或無機(jī)鹽溶于溶劑中形成溶膠，然后通過水解、縮合等化學(xué)反應(yīng)形成凝膠，再經(jīng)干燥、煅燒等處理得到催化劑?；瘜W(xué)氣相沉積法利用氣相化學(xué)反應(yīng)在載體表面沉積活性組分，形成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的催化劑。其他化學(xué)法包括水熱法、微波法、電化學(xué)法等，這些方法在特定條件下可以制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的催化劑。0102X射線衍射技術(shù)（XRD）用于確定催化劑的物相組成和晶體結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡（SEM…用于觀察催化劑的微觀形貌和顆粒大小。比表面積和孔徑分析通過氮?dú)馕?脫附等溫線測定催化劑的比表面積和孔徑分布。X射線光電子能譜（XP…用于分析催化劑表面的元素組成和化學(xué)狀態(tài)。其他表征技術(shù)包括紅外光譜（IR）、拉曼光譜（Raman）、核磁共振（NMR）等，這些技術(shù)可以提供催化劑的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合等信息。030405先進(jìn)表征技術(shù)在催化劑研究中應(yīng)用07催化反應(yīng)工程實(shí)踐固定床反應(yīng)器01適用于氣-固相催化反應(yīng)，催化劑固定不動，氣體通過催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括催化劑的選型、床層高度和直徑的確定、氣體分布器的設(shè)計(jì)等。流化床反應(yīng)器02適用于氣-固相催化反應(yīng)，催化劑顆粒在氣流作用下呈流化狀態(tài)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括流化速度的控制、催化劑的選用和再生、氣體分布和收集等。漿態(tài)床反應(yīng)器03適用于液-固相催化反應(yīng)，催化劑顆粒懸浮在液體中。設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括攪拌方式的選擇、催化劑的懸浮和分離、傳熱和傳質(zhì)等。工業(yè)催化反應(yīng)器類型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)失活原因催化劑失活的主要原因包括中毒、燒結(jié)、積碳、磨損等。其中，中毒是最常見的失活原因，催化劑活性中心被毒物占據(jù)導(dǎo)致活性下降。再生方法針對不同類型的失活原因，采取相應(yīng)的再生方法。如中毒失活可采用氧化、還原、酸洗等方法進(jìn)行再生；燒結(jié)失活可采用高溫處理或重新活化等方法進(jìn)行再生。催化劑失活原因與再生方法工業(yè)廢氣治理針對工業(yè)廢氣中的有害物質(zhì)，采用催化燃燒、催化氧化等技術(shù)進(jìn)行處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。廢水處理利用催化劑對廢水中的有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，提高廢水的可生化性，為后續(xù)生物處理創(chuàng)造有利條件。汽車尾氣凈化利用催化劑將汽車尾氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，減少尾氣排放對環(huán)境的污染。環(huán)境保護(hù)中催化技術(shù)應(yīng)用利用納米材料的特殊性質(zhì)，制備