1、催化剂制备与表征催化剂制备与表征催化剂基础知识催化剂基础知识催化剂的开发催化剂的开发催化剂制备方法催化剂制备方法催化剂表征技术催化剂表征技术一、催化剂基础知识一、催化剂基础知识工业催化剂的发展简史工业催化剂的发展简史催化剂在经济上的地位和作用催化剂在经济上的地位和作用催化剂的定义、分类和命名催化剂的定义、分类和命名催化剂的相关术语催化剂的相关术语催化剂的化学组成和物理结构催化剂的化学组成和物理结构催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质1.1 工业催化剂的发展简史工业催化剂的发展简史萌芽时期（萌芽时期（20世纪以前）世纪以前）奠基时期（奠基时期（20世纪初）世纪初）大发展时期（大发展时期（20
2、世纪世纪30 60年代）年代）更新换代时期（更新换代时期（20世纪世纪70 80年代）年代）中国催化剂工业的发展中国催化剂工业的发展二十一世纪，催化工业重点二十一世纪，催化工业重点萌芽时期（萌芽时期（20世纪以前）世纪以前）l 几千年前（殷商）发酵法几千年前（殷商）发酵法酒、醋酒、醋l 1746年英国年英国J.罗巴克建立了罗巴克建立了铅室反应器铅室反应器，生，生产过程中由硝石产生的氧化氮实际上是一种产过程中由硝石产生的氧化氮实际上是一种气态的催化剂，这是气态的催化剂，这是利用催化技术从事工业利用催化技术从事工业规模生产的开端。规模生产的开端。l 1811年，俄国科学家从科学意义上最先发现年，俄
3、国科学家从科学意义上最先发现了催化作用，热的淀粉水溶液中添加盐酸时了催化作用，热的淀粉水溶液中添加盐酸时促进淀粉水解生成糖。促进淀粉水解生成糖。l 1835年，年，Berzelius首先提出首先提出“催化作用催化作用”。l 1875年德国人年德国人E.雅各布在克罗伊茨纳赫建立雅各布在克罗伊茨纳赫建立了第一座生产发烟硫酸的接触法装置，并制了第一座生产发烟硫酸的接触法装置，并制造所需的造所需的铂催化剂铂催化剂，这是固体工业催化剂的，这是固体工业催化剂的先驱。先驱。J.J.Berzelius瑞典化学家瑞典化学家奠基时期（奠基时期（20世纪初）世纪初）l 1904开始德国化学家开始德国化学家Haber
4、研究合成氨催化剂，（研究合成氨催化剂，（1918年年获诺贝尔化学奖）获诺贝尔化学奖）l 1907年，在英国和德国建立了以年，在英国和德国建立了以镍镍为催化剂的油脂加氢制为催化剂的油脂加氢制取硬化油的工厂。（法国取硬化油的工厂。（法国Scbatier 1912年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖）l 1923年，德国有机化学家年，德国有机化学家F.Fischer和和H.Tropsch以以钴钴为催为催化剂，从一氧化碳加氢制烃取得成功。化剂，从一氧化碳加氢制烃取得成功。l 1925年，美国莫里年，美国莫里.雷尼在植物油的氢化过程发明雷尼在植物油的氢化过程发明骨架镍骨架镍催化剂催化剂并获得专利投入生产。并
5、获得专利投入生产。l 1926年，德国法本公司用铁、锡、钼等金属为催化剂，从年，德国法本公司用铁、锡、钼等金属为催化剂，从煤和焦油经高压加氢液化生产液体燃料，这种方法称煤和焦油经高压加氢液化生产液体燃料，这种方法称柏吉柏吉斯法斯法。该阶段奠定了制造金属催化剂的基础技术。该阶段奠定了制造金属催化剂的基础技术。金属催化剂金属催化剂奠基时期（奠基时期（20世纪初）世纪初）氧化物催化剂氧化物催化剂 20年代以后，抗毒能力高的钒氧化物催化剂年代以后，抗毒能力高的钒氧化物催化剂迅速取代原有的铂催化剂，并成为大宗的商品催迅速取代原有的铂催化剂，并成为大宗的商品催化剂。制硫酸催化剂的这一变革，化剂。制硫酸催化
6、剂的这一变革，为氧化物催化为氧化物催化剂开辟了广阔前景剂开辟了广阔前景。奠基时期（奠基时期（20世纪初）世纪初）液态催化剂液态催化剂l 1919年美国新泽西标准油公司开发以年美国新泽西标准油公司开发以硫酸硫酸为催化为催化剂从丙烯水合制异丙醇的工业过程剂从丙烯水合制异丙醇的工业过程。l 1930年，美国联合碳化物公司又建成乙烯水合制年，美国联合碳化物公司又建成乙烯水合制乙醇的工厂。乙醇的工厂。这类液态催化剂均为简单的化学品。这类液态催化剂均为简单的化学品。大发展时期（大发展时期（20世纪世纪30 60年代）年代）l工业催化剂生产规模的扩大工业催化剂生产规模的扩大l工业催化剂品种的增加工业催化剂品
7、种的增加l有机金属催化剂的生产有机金属催化剂的生产l选择性氧化用混合催化剂的发展选择性氧化用混合催化剂的发展l加氢精制催化剂的改进加氢精制催化剂的改进l分子筛催化剂的崛起分子筛催化剂的崛起l大型合成氨催化剂系列的形成大型合成氨催化剂系列的形成 更新换代时期（更新换代时期（20世纪世纪70 80年代）年代）l高效络合催化剂的出现高效络合催化剂的出现l固体催化剂的工业应用固体催化剂的工业应用l分子筛催化剂的工业应用分子筛催化剂的工业应用l环境保护催化剂的工业应用环境保护催化剂的工业应用l生物催化剂的工业应用生物催化剂的工业应用 同时，现代表征手段技术的应用，为分同时，现代表征手段技术的应用，为分析
8、催化反应机理，建立催化模型提供了帮助。析催化反应机理，建立催化模型提供了帮助。l第一个催化剂生产车间第一个催化剂生产车间:永利铔厂触媒部（永利铔厂触媒部（1959年改名南京化年改名南京化 学工业公司催化剂厂）于学工业公司催化剂厂）于1950年开始生产合成氨工业催化剂年开始生产合成氨工业催化剂。l20世纪世纪60年代，兰州化学工业公司建立了第一个石油化工催化年代，兰州化学工业公司建立了第一个石油化工催化 剂车间。剂车间。l20世纪世纪70年代，引进多套石油化工生产装置，并逐步使所用催年代，引进多套石油化工生产装置，并逐步使所用催 化剂国产化。化剂国产化。l 目前石油炼制及化肥工业催化剂基本国产化
9、，但还未形成完整目前石油炼制及化肥工业催化剂基本国产化，但还未形成完整 体系，环保催化剂刚起步体系，环保催化剂刚起步。中国催化剂工业的发展中国催化剂工业的发展 生物催化剂生物催化剂 环保催化剂（废气排放控制）环保催化剂（废气排放控制）燃料电池（能源生产）燃料电池（能源生产）催化新材料等。催化新材料等。二十一世纪，催化工业重点二十一世纪，催化工业重点1.2 催化剂在经济上的地位和作用催化剂在经济上的地位和作用 催化剂的应用领域催化剂的应用领域（1 1）合成氨及合成甲醇）合成氨及合成甲醇:产量最大的合成化学品产量最大的合成化学品（2 2）石油炼制与合成燃料：）石油炼制与合成燃料：运输量和消费量最大
10、的化学品运输量和消费量最大的化学品（3 3）无机化学工业：）无机化学工业：酸、碱、盐，硫酸和硝酸酸、碱、盐，硫酸和硝酸等等的生产的生产（4 4）基本有机合成工业：）基本有机合成工业：醇、醛（酮）、酸、酯、腈醇、醛（酮）、酸、酯、腈（5 5）三大合成材料：）三大合成材料：合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维 Ziegler-Natta、后过渡金属、茂金属催化剂、后过渡金属、茂金属催化剂（6 6）精细化工产品：）精细化工产品：品种最多、平均单价高的化学品品种最多、平均单价高的化学品（7 7）生物化工：）生物化工：最有潜力和发展前景的化工领域最有潜力和发展前景的化工领
11、域（8 8）环境化学：）环境化学：与人类生存密切相关的领域，尾气净化与人类生存密切相关的领域，尾气净化1.2 催化剂在经济上的地位和作用催化剂在经济上的地位和作用 提高社会生产水平提高社会生产水平(合成氨）合成氨）扩大资源利用范围（石油、煤、天然气扩大资源利用范围（石油、煤、天然气、合成气）、合成气）提取制造重要物质（精细化工）提取制造重要物质（精细化工）满足社会各方面需要（衣、食、住、行满足社会各方面需要（衣、食、住、行、环保、国防）、环保、国防）合成氨合成氨 N2+3H23NH3 催化剂：催化剂：Fe-Al2O3-K2O 每吨催化剂可产每吨催化剂可产2万吨氨万吨氨 N2来源：空气分离来源：
12、空气分离 H2来源来源:烃类水蒸气转化法。烃类水蒸气转化法。工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、变换、工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、变换、甲烷化、氨合成。需用甲烷化、氨合成。需用八种八种不同催化剂不同催化剂 石油石油煤煤天然气天然气合成气合成气精细化工精细化工 产量小附加值高产量小附加值高 医药、农药、染料、医药、农药、染料、香料、涂料、各种香料、涂料、各种助剂、合成材料等。助剂、合成材料等。催化技术研究和应用内容催化技术研究和应用内容 更新原料路线，采用更廉价的原料（更新原料路线，采用更廉价的原料（资源资源有效利用有效利用）革新工艺流程，促进新工艺过程的开发（革新工艺流程，促进新工艺过
13、程的开发（发展绿色清洁化工生产技术，走可持续发发展绿色清洁化工生产技术，走可持续发展的道路展的道路）缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的（节能节能）开发新产品，提高产物的收率，改善产物开发新产品，提高产物的收率，改善产物的质量（的质量（开发新产品开发新产品）消除环境污染（消除环境污染（环境保护环境保护）定义定义1：又叫触媒，又叫触媒，IUPAC于于1981年定义，催化剂年定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。自由焓变化。这种作用称为催化作
14、用。涉及催化剂的反应为催化反应。涉及催化剂的反应为催化反应。定义定义2：在化学反应里能改变其他物质的化学反应在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂。生变化的物质叫做催化剂。1.3 催化剂的定义、分类和命名催化剂的定义、分类和命名催化剂是参与反应的，其物理性质有可能改变催化剂是参与反应的，其物理性质有可能改变1.3 催化剂的定义、分类和命名催化剂的定义、分类和命名 目前化工生产和石油炼制中，目前化工生产和石油炼制中，90%以上的反以上的反应要用到催化剂。应要用到催化剂。可可加速反应速率
15、的加速反应速率的称为称为正催化剂。正催化剂。可可降低反应速率的降低反应速率的称为称为阻化剂阻化剂或负催化剂。或负催化剂。塑料和橡胶中的塑料和橡胶中的防老剂防老剂、金属防腐用的、金属防腐用的缓蚀缓蚀剂剂和汽油燃烧中的防爆震剂等都是和汽油燃烧中的防爆震剂等都是阻化剂。阻化剂。工业催化剂工业催化剂特指具有工业生产实际意义的催化剂。必须具有能满特指具有工业生产实际意义的催化剂。必须具有能满足工业生产所要求的足工业生产所要求的活性、选择性、耐热波动耐毒物活性、选择性、耐热波动耐毒物的稳定性、耐磨蚀性、抗冲击强度和抗压碎强度、良的稳定性、耐磨蚀性、抗冲击强度和抗压碎强度、良好的导热性能、容易再生好的导热性
16、能、容易再生等。等。1.3 催化剂的定义、分类和命名催化剂的定义、分类和命名 多相催化剂多相催化剂(多为固体多为固体)按反应体系物相均一性：按反应体系物相均一性：均相均相 酶催化剂酶催化剂 酸酸-碱性催化剂碱性催化剂 按作用机理：按作用机理：氧化氧化-还原型催化剂还原型催化剂 配合型催化剂配合型催化剂 双功能催化剂双功能催化剂1.3.2 催化剂的分类催化剂的分类 金属催化剂：金属催化剂：Fe、Co、Ni、Pt等等 氧化物或硫化物催化剂：氧化物或硫化物催化剂：酸、碱、盐催化剂酸、碱、盐催化剂 金属有机化合物金属有机化合物 非生物催化剂非生物催化剂 天然矿物天然矿物按来源：按来源：合成产物合成产物
17、 生物催化剂生物催化剂按元素及化合态：按元素及化合态：1.3.2 催化剂的分类催化剂的分类 氧化催化剂氧化催化剂按催化单元反应：按催化单元反应：加加/脱氢催化剂脱氢催化剂 聚合催化剂聚合催化剂 石油炼制催化剂石油炼制催化剂 无机化工（无机化工（化肥工业化肥工业）催化剂）催化剂按工业类型：按工业类型：有机化工（石油化工）催化剂有机化工（石油化工）催化剂 环境保护催化剂环境保护催化剂 其他催化剂其他催化剂1.3.2 催化剂的分类催化剂的分类l中国工业中国工业 催化剂分类催化剂分类1液体酸液体酸均相反应：均相反应：H2SO4、HF、HNO3、H3PO4、H3BO3用于：酯化反应，烷基化反应用于：酯化
18、反应，烷基化反应2金属氧化物金属氧化物固体酸：能给出质子或接受电子对的固体固体酸：能给出质子或接受电子对的固体例如：例如：Al2O3、ZnO、CuO、SiO2-Al2O3、SiO2-MgO特点：酸碱可调特点：酸碱可调*酸性催化剂种类酸性催化剂种类3.超强酸超强酸 固体酸的强度若超过固体酸的强度若超过100H2SO4的酸强度，的酸强度，即为超强酸。即为超强酸。由质子酸和由质子酸和Lewis酸结合而成酸结合而成例如：质子酸例如：质子酸 Lewis酸酸 HF BF3 HF SbF5 HCl AlCl3检测方法：正丁烷骨架异构化成异丁烷的反应检测方法：正丁烷骨架异构化成异丁烷的反应酸性催化剂种类酸性催
19、化剂种类4.杂多酸杂多酸由两种以上无机酸缩合而成由两种以上无机酸缩合而成3-2-+44312402PO+12MoO+27HH PMo O+12H O通式通式：-n1240-n1240W O(:P Si Ce)(W Mo Nb TaMo)Oxxx、中央离子：、酸性催化剂种类酸性催化剂种类6无机酸盐无机酸盐例如：例如：AlCl3、NiSO4、Na2CO35强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂 显酸性显酸性H+CHCH2HSO3 n2-酸性催化剂种类酸性催化剂种类7分子筛分子筛酸性催化剂种类酸性催化剂种类沸石沸石(zeolite)的晶体具有许多大小相同的空腔；的晶体具有许多大小相同的空腔；空腔之
20、间又有许多直径相同的微孔相连，形成均空腔之间又有许多直径相同的微孔相连，形成均匀的、尺寸大小为分子直径数量级的孔道；因不匀的、尺寸大小为分子直径数量级的孔道；因不同孔径的沸石就能筛分大小不一的分子，故又得同孔径的沸石就能筛分大小不一的分子，故又得名为分子筛名为分子筛(molecular sieve)。1756年发现第一个天然沸石辉沸石；年发现第一个天然沸石辉沸石；1954年沸年沸石的人工合成工业化；石的人工合成工业化；1960年代开始用作催化剂年代开始用作催化剂和催化剂载体。和催化剂载体。各种沸石分子筛的区别各种沸石分子筛的区别在化学组成和结构上的不同；在化学组成和结构上的不同；而化学组成上最
21、主要的差别则是硅铝比不同。而化学组成上最主要的差别则是硅铝比不同。几种常见分子筛的化学组成几种常见分子筛的化学组成分子筛沸石分子筛的基本结构单元是沸石分子筛的基本结构单元是硅氧四面硅氧四面体和体和铝氧铝氧四面体四面体，它们通过氧桥相互联结。，它们通过氧桥相互联结。分子筛分子筛结构：分子筛结构：由四个四面体形成的环叫四元环由四个四面体形成的环叫四元环;五个四面体形成五个四面体形成的环叫五元环的环叫五元环;依此类推还有六元环、八元环和十依此类推还有六元环、八元环和十二元环等二元环等分子筛催化剂的分子筛催化剂的择形择形作用作用n沸石分子筛规正均匀的沸石分子筛规正均匀的孔口和孔道孔口和孔道使得催化反使
22、得催化反应可以处于一种择形的条件下进行。这就是所应可以处于一种择形的条件下进行。这就是所谓的谓的择形催化择形催化。例如：汽油的重整中，为提高汽油中异构烷烃例如：汽油的重整中，为提高汽油中异构烷烃的百分比，就可利用适当孔径的分子筛限制异的百分比，就可利用适当孔径的分子筛限制异构烷烃进入孔道，也就是说不让它们与分子筛构烷烃进入孔道，也就是说不让它们与分子筛的内表面接触，而正构烷烃却可自由出入，并的内表面接触，而正构烷烃却可自由出入，并在内表面的酸性中心上发生裂解反应而与异构在内表面的酸性中心上发生裂解反应而与异构烷烃分离。烷烃分离。分子筛l一般命名法：一般命名法：单组元：单组元：活性组分名称（剂型
23、）活性组分名称（剂型）+“催化剂催化剂”如铁（粉）催化剂、钨（丝）催化剂如铁（粉）催化剂、钨（丝）催化剂 多组元：多组元：多种活性组分名称多种活性组分名称+载体名称载体名称+“催化剂催化剂”如镍铬氧化铝催化剂如镍铬氧化铝催化剂1.3.3 催化剂的命名催化剂的命名l标准命名法：标准命名法：炼油：炼油：牌号牌号+类别名称类别名称+固定名称固定名称(催化剂催化剂)如如1号重整催化剂、号重整催化剂、2号重整催化剂等号重整催化剂等 化肥：类别代号化肥：类别代号+特性代号特性代号+序列代号序列代号+基本名称基本名称l复杂命名法：复杂命名法：类别代号类别代号+(被引进号被引进号)+特性代号特性代号+序列代号
24、序列代号 +形代号形代号(Q、H、Y)+还原还原(-H)+基本名称基本名称 如：如：B(T)203Q-H型低温变换催化剂型低温变换催化剂1.3.3 催化剂的命名催化剂的命名1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构以多相固体催化剂为例以多相固体催化剂为例 ，其一般由如下几部分组，其一般由如下几部分组成成多相固体催化剂多相固体催化剂 主催化剂主催化剂 共催化剂共催化剂 载体载体助催化剂助催化剂 晶格缺陷型晶格缺陷型 电子型电子型 结构型结构型 1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构1.主催化剂主催化剂 P8-10起催化作用的起催化作用的根本性物质根本性物质。如合成氨催化剂
25、中的。如合成氨催化剂中的Fe或或Ru;共催化剂：共催化剂：能和主催化剂能和主催化剂同时起作用同时起作用的组分。如的组分。如 合成氨铁系催化剂中的合成氨铁系催化剂中的Mo;或者，一种催化剂需要将两种或两种以上活性或者，一种催化剂需要将两种或两种以上活性组分共存时才显示较好的催化活性。组分共存时才显示较好的催化活性。如烃类脱氢用如烃类脱氢用MoO3-Al2O3催化剂，两则单独存催化剂，两则单独存在时都只有很少的催化活性，只有组合使用时催化在时都只有很少的催化活性，只有组合使用时催化脱氢活性才最高。脱氢活性才最高。使用前和使用时，主催化剂的形态不一定相同使用前和使用时，主催化剂的形态不一定相同1.4
26、 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构1.主催化剂主催化剂 活性组分是催化剂的核心，选择合适的活性组活性组分是催化剂的核心，选择合适的活性组分为研制催化剂的首要环节。分为研制催化剂的首要环节。目前还不能完全靠理论进行活性组分的选择，目前还不能完全靠理论进行活性组分的选择，但利用已经积累的知识和理论提供的指导可显著缩但利用已经积累的知识和理论提供的指导可显著缩短催化剂开发时间。短催化剂开发时间。影响多相催化作用的三大主要因素：影响多相催化作用的三大主要因素：电子效应电子效应 结构效应结构效应 能量效应能量效应 化学键理论化学键理论 分子轨道理论分子轨道理论 配位场理论配位场理论 晶体场理
27、论晶体场理论1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构2.2.助催化剂助催化剂 又称助剂，本身没有活性或活性很小，但加入又称助剂，本身没有活性或活性很小，但加入后能提高催化剂活性、选择性、改善其耐热性、抗后能提高催化剂活性、选择性、改善其耐热性、抗毒性、机械强度、寿命等性能的组分。毒性、机械强度、寿命等性能的组分。可以单质形式或化合物状态加入，也可以只加可以单质形式或化合物状态加入，也可以只加入一种或加入多种。加入量多少随催化剂类型有所入一种或加入多种。加入量多少随催化剂类型有所不同，存在着最适宜量。不同，存在着最适宜量。作用机理：作用机理：结构性结构性 调变性调变性 选择性选择性
28、1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构2.2.助催化剂助催化剂 1 1）结构性助催化剂）结构性助催化剂增大催化剂表面，提高主催化剂分散性，防止活性增大催化剂表面，提高主催化剂分散性，防止活性组分晶粒烧结长大，增强主催化剂的组分晶粒烧结长大，增强主催化剂的结构稳定性结构稳定性。如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂中的如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂中的BaO、CaO、MgO等碱金属氧化物等碱金属氧化物。又如合成氨铁系催化剂中的又如合成氨铁系催化剂中的Al2O3;1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构2.2.助催化剂助催化剂 2 2）调变性助催化剂）调变性助催化剂改变主催化剂的
29、化学组成、化合形态、表面性质或改变主催化剂的化学组成、化合形态、表面性质或晶型结构，提高催化剂的晶型结构，提高催化剂的活性及选择性活性及选择性。如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂中的如乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂中的Cs、Ba 等，消弱其给电子能力等，消弱其给电子能力。又如合成氨铁系催化剂中的又如合成氨铁系催化剂中的K2O，起电子给予体，起电子给予体的作用的作用;1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构2.助催化剂助催化剂 3 3）选择性助催化剂）选择性助催化剂 可选择性地屏蔽能引起副反应的活性中心，可选择性地屏蔽能引起副反应的活性中心，提提高目的反应的选择性高目的反应的选择性。如选择
30、如选择Pd或或Ni进行选择加氢时，加入适量进行选择加氢时，加入适量Pb以以毒化某一种加氢活性高的活性中心。毒化某一种加氢活性高的活性中心。1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构2.助催化剂助催化剂 助催化剂的添加量及添加方法对催化剂性能影助催化剂的添加量及添加方法对催化剂性能影响很大，是催化剂制备的一个重要环节。响很大，是催化剂制备的一个重要环节。同一种助催化剂在不同反应中所起的作用不一同一种助催化剂在不同反应中所起的作用不一定都相同，同一种反应也可以使用不同的助催化剂。定都相同，同一种反应也可以使用不同的助催化剂。1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构3.载体载体
31、 为催化剂的重要组成部分。为催化剂的重要组成部分。是活性组分的分散剂、粘合剂或支撑物，能是活性组分的分散剂、粘合剂或支撑物，能增大增大表面积表面积、提高耐热性和机械强度及抑制晶粒增长。、提高耐热性和机械强度及抑制晶粒增长。一般为没有活性的惰性物质，在催化剂中一般为没有活性的惰性物质，在催化剂中含量较高含量较高。1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构载体的作用载体的作用l提供有效的表面和适宜的孔结构。提供有效的表面和适宜的孔结构。l增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的形状。的形状。l改善催化剂的热传导性，提高热稳定性。改善催化剂的热传导性，
32、提高热稳定性。l提供反应活性中心提供反应活性中心l和活性组分作用形成新化合物和活性组分作用形成新化合物l减少活性组份的含量减少活性组份的含量l提高催化剂的抗中毒性能提高催化剂的抗中毒性能1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构3.载体载体 一种好的载体应具有适宜的比表面积和孔结构、一种好的载体应具有适宜的比表面积和孔结构、稳定的晶相结构、较高的机械强度及热稳定性、良稳定的晶相结构、较高的机械强度及热稳定性、良好的传热及传质性能、确保活性组分均匀分布及高好的传热及传质性能、确保活性组分均匀分布及高度分散等。度分散等。常用的载体有：常用的载体有：高比表面的有高比表面的有活性炭活性炭、硅
33、胶、硅胶、氧化铝氧化铝；中等比表面的有硅藻土、石棉；低表面的；中等比表面的有硅藻土、石棉；低表面的有：刚玉、浮石等。有：刚玉、浮石等。1.4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构4.稳定剂稳定剂 与载体相似，用于与载体相似，用于阻止容易烧结的金属互相接阻止容易烧结的金属互相接触触，但含量比载体小得多。如氧化铝、氧化镁等难，但含量比载体小得多。如氧化铝、氧化镁等难还原的耐火氧化物。还原的耐火氧化物。5.抑制剂抑制剂 使催化活性适当降低的物质，含量很少。是为使催化活性适当降低的物质，含量很少。是为了使工业催化剂的了使工业催化剂的诸性能达到均衡匹配，整体优化诸性能达到均衡匹配，整体优化。1.
34、4 催化剂的化学组成和结构催化剂的化学组成和结构催化剂组成的表示方法催化剂组成的表示方法 1 1）所含元素的原子比）所含元素的原子比 2 2）活性组分的摩尔比或质量比）活性组分的摩尔比或质量比 如如:Co1Mo1K0.05-12%(4.2%Co/CNTs)P151.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质几何形状几何形状一般情况下一般情况下固定床反应器：球状、圆柱状、三叶草状、片状固定床反应器：球状、圆柱状、三叶草状、片状流化床反应器：粒径较大（小于流化床反应器：粒径较大（小于150m）的微球）的微球移动床反应器：移动床反应器：24mm或更大或更大的球状催化剂的球状催化剂悬浮床反应器：微纳
35、米级，易悬浮循环流动悬浮床反应器：微纳米级，易悬浮循环流动1.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质粒度、粒径及粒径分布粒度、粒径及粒径分布颗粒的大小。通常球体颗粒的粒度用直径颗粒的大小。通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。粒度粒度对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的同行为的某一球体直径某一球体直径作为该颗粒的作为该颗粒的等效直等效直径径。实验室常用的测定物料粒度组成的方法。实验室常用的测定物料粒度组成的方法有有筛析法筛析法、水析法水析法和和显微镜法显微镜法。1.5 催化剂的宏观物理性
36、质催化剂的宏观物理性质粒度、粒径及粒径分布粒度、粒径及粒径分布粒径粒径当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或组合）最相近时，就把该直径的同质球体（或组合）最相近时，就把该球体的直径（或组合）作为被测颗粒的等效粒球体的直径（或组合）作为被测颗粒的等效粒径（或粒度分布）。径（或粒度分布）。粒的粒的大小大小称作粒度，颗粒的称作粒度，颗粒的直径直径称做粒径。称做粒径。通常用粒径来表示粒度通常用粒径来表示粒度1.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质粒度、粒径及粒径分布粒度、粒径及粒径分布粒径分布粒径分布测量方法：筛分法；显微镜法；沉降法
37、；测量方法：筛分法；显微镜法；沉降法；刮板；电阻法；激光衍射；透气法；刮板；电阻法；激光衍射；透气法；超声波法；相关法；超声波法；相关法；1.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质比孔容积：比孔容积：单位质量催化剂的内部孔体积总和，单位质量催化剂的内部孔体积总和，cm3/g 常用四氯化碳法测定，凝聚了的四氯化碳体积即常用四氯化碳法测定，凝聚了的四氯化碳体积即为催化剂内孔体积为催化剂内孔体积 孔径及孔径分布：孔径及孔径分布：微孔：小于微孔：小于2 nm；分子筛、活性炭分子筛、活性炭 介介(中中)孔：孔：250 nm；大孔：大于大孔：大于50 nm；硅藻土硅藻土 理想孔结构：孔径大小基本一致
38、理想孔结构：孔径大小基本一致 催化反应的一系列动力学参数、催化剂的选择性、催化反应的一系列动力学参数、催化剂的选择性、机械强度、耐热性、使用寿命等都与催化剂的孔结构机械强度、耐热性、使用寿命等都与催化剂的孔结构有关。有关。1.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质比表面积：比表面积：单位质量催化剂的内外表面总和，单位质量催化剂的内外表面总和，m2/g 不同催化剂比表面不同，同一种催化剂，不同催化剂比表面不同，同一种催化剂，制备方法不同，比表面也不同。制备方法不同，比表面也不同。一般情况下，催化活性与催化剂的表面积有很一般情况下，催化活性与催化剂的表面积有很大关系，但不一定成正比关系大关系
39、，但不一定成正比关系 当多孔性催化剂由细孔组成，需考虑有效表面当多孔性催化剂由细孔组成，需考虑有效表面 常用测定方法：常用测定方法：BET法法、气相色谱法、电子显、气相色谱法、电子显微镜法微镜法1.5 催化剂的宏观物理性质催化剂的宏观物理性质机械强度：机械强度：一般包括压碎强度和磨损性能。一般包括压碎强度和磨损性能。抗毒稳定性：抗毒稳定性：毒物主要有硫化物、含氧（磷、砷）毒物主要有硫化物、含氧（磷、砷）化合物、重金属化合物等。化合物、重金属化合物等。密度：密度：分为堆积密度、颗粒密度、骨架密度分为堆积密度、颗粒密度、骨架密度 V堆堆=V空空+V孔孔+V骨架骨架 1.6 催化剂的基本性能要求催化
40、剂的基本性能要求活性：活性：指某一特定催化剂加快反应速率的程度。指某一特定催化剂加快反应速率的程度。是表示催化剂催化能力的重要指标。催化剂活性越是表示催化剂催化能力的重要指标。催化剂活性越高，促进原料转化的能力越大，在相同时间内取得高，促进原料转化的能力越大，在相同时间内取得的产品更多。的产品更多。转化率：转化率：时空收率：时空收率：单位时间内使用单位体积催化剂所能得到的反单位时间内使用单位体积催化剂所能得到的反 应产物的量。应产物的量。KgKg产物产物/(m/(m3 3催化剂催化剂h)h)时空收率时空收率=产物质量产物质量g/（催化剂的用量（催化剂的用量mL反应时间反应时间h)反应速率：反应
41、速率：单位催化剂表面积单位催化剂表面积（或体积、质量）（或体积、质量）在单位时在单位时 间内促进反应所引起的反应物间内促进反应所引起的反应物A或产物或产物B的量的量 的变化。的变化。AA100%Ax 反应物 已转化的量反应物 起始的量选择性：选择性：指在能发生多种反应的反应系统中，同指在能发生多种反应的反应系统中，同一催化剂促进不同反应的程度的比较。一催化剂促进不同反应的程度的比较。AB100%As生成目的产物B的量某一关键反应物 已转化的量 在测量催化活性的同时，只要加适当的专用装在测量催化活性的同时，只要加适当的专用装置测得各种反应产物的分布，即可求得该催化剂的置测得各种反应产物的分布，即
42、可求得该催化剂的选择性。选择性。1.6 催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求 催化剂的活性与选择性不能兼顾时，怎么选择？催化剂的活性与选择性不能兼顾时，怎么选择？寿命：寿命：指催化剂的指催化剂的有效使用期限有效使用期限，是催化剂的重要性质之，是催化剂的重要性质之一。催化剂在使用过程中，效率会逐渐下降，影响催化过程一。催化剂在使用过程中，效率会逐渐下降，影响催化过程的进行。例如因催化活性或催化剂选择性下降，以及因催化的进行。例如因催化活性或催化剂选择性下降，以及因催化剂粉碎而引起床层压力降增加等。剂粉碎而引起床层压力降增加等。氧化锌经氧化锌经750750高温处理前后电镜照片高温处理前后电镜照
43、片 a a处理前处理前 b b处理后处理后 1.6 催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求固体催化剂活性随时间的变化曲线通常分三个阶段固体催化剂活性随时间的变化曲线通常分三个阶段1.成熟期成熟期活性活性时间时间活性随使用时间渐增，达活性随使用时间渐增，达最佳值，如最佳值，如ab段段ab2.稳定期稳定期维持较高活性，保持一段时维持较高活性，保持一段时间，如间，如bc段（中间省略）段（中间省略）cd3.衰老期衰老期活性随使用时间渐降，以活性随使用时间渐降，以致不能使用，如致不能使用，如cd段段1.6 催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求 成熟期、稳定期、衰老成熟期、稳定期、衰老期期三个阶段的
44、累加时间通常三个阶段的累加时间通常称为单程寿命。称为单程寿命。失去活性的催化剂经失去活性的催化剂经重新重新活化活化后，又能使用了，如此反后，又能使用了，如此反复，直至活性再也无法恢复。复，直至活性再也无法恢复。这些这些单程寿命的累加时间称为总寿命单程寿命的累加时间称为总寿命。好的催化剂希望它既有长的单程寿命，又有长的好的催化剂希望它既有长的单程寿命，又有长的总寿命，可提高产量，降低成本。总寿命，可提高产量，降低成本。活性活性时间时间abcd1.6 催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求中毒：中毒：催化剂中毒指催化剂由于某些物质的作用而使催化催化剂中毒指催化剂由于某些物质的作用而使催化 活性衰
45、退或丧失的现象活性衰退或丧失的现象本质：本质：催化剂的催化剂的活性中心活性中心被反应物中的被反应物中的杂质占领而失去活性杂质占领而失去活性 可分为：可分为：可逆中毒与不可逆中毒可逆中毒与不可逆中毒 如用加热、或用气体或液体冲洗，能使催化剂的活性如用加热、或用气体或液体冲洗，能使催化剂的活性恢复，这称为催化剂恢复，这称为催化剂可逆中毒可逆中毒或或暂时性中毒暂时性中毒。毒物通常是具有孤电子对的元素毒物通常是具有孤电子对的元素(如如S，N，P等等)的化合的化合物，如物，如 等。等。23H S,HCN,PH 如用上述方法都不起作用，称为催化剂不如用上述方法都不起作用，称为催化剂不可逆中毒可逆中毒或或永
46、久性中毒永久性中毒。这必须重新更换催化剂。这必须重新更换催化剂。为防止催化剂中毒，反应物必须为防止催化剂中毒，反应物必须预先净化。预先净化。1.6 催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求失活：失活：催化剂在使用过程中催化活性的催化剂在使用过程中催化活性的衰退或完衰退或完 全丧失全丧失。原因：中毒、积碳、烧结、化合形态及化原因：中毒、积碳、烧结、化合形态及化 学组成发生变化、形态结构发生变化学组成发生变化、形态结构发生变化再生：再生：进行适当的物理或化学处理使失活或中毒进行适当的物理或化学处理使失活或中毒 的催化剂活性和选择性等催化性能得以恢复。的催化剂活性和选择性等催化性能得以恢复。1.6
47、催化剂的基本性能要求催化剂的基本性能要求 过去由于分析测试技术的落后，催化剂的制造过去由于分析测试技术的落后，催化剂的制造技术被看成是技术被看成是“捉摸不定的技巧捉摸不定的技巧”。随着先进的测。随着先进的测试技术广泛用于催化剂的开发及生产上，催化剂生试技术广泛用于催化剂的开发及生产上，催化剂生产技术也逐渐从产技术也逐渐从“技巧技巧”水平提高到科学水平。水平提高到科学水平。1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点 了解催化剂制备方法的重要性，不仅在于它产了解催化剂制备方法的重要性，不仅在于它产生的实用效果，同时也有助于更进一步了解催化剂生的实用效果，同时也有助于更进一步了解催化剂的活性本
48、质。的活性本质。1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点项目项目实验室催化剂实验室催化剂工业催化剂工业催化剂数量数量以以 g或或 mL计量计量以以 Kg或或 t计量计量运转时间运转时间以小时、日计量以小时、日计量以月、年计量以月、年计量操作状况操作状况稳定可控制稳定可控制不稳定，有时很严重不稳定，有时很严重反应反应反应机理反应机理反应控制步骤反应控制步骤选择性选择性主要产物多少主要产物多少副产物多少副产物多少性能表示性能表示反应速率大小反应速率大小转化率及收率转化率及收率关心着眼点关心着眼点过程及数据过程及数据产品质量及经济效益产品质量及经济效益1.要满足用户对催化剂的性能要求要满足用
49、户对催化剂的性能要求1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点良好催化活性良好催化活性选择性高选择性高使用寿命长使用寿命长机械强度适中，稳定性好机械强度适中，稳定性好有高度耐中毒能力，可再生复活有高度耐中毒能力，可再生复活1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点催化剂的机械强度的影响因素催化剂的机械强度的影响因素2.达到良好的制备重复性达到良好的制备重复性1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点加强质量检测，提高操作水平加强质量检测，提高操作水平选择的工艺参数范围越窄，制备的产品质量选择的工艺参数范围越窄，制备的产品质量越高，重复性就越好越高，重复性就越好催化剂原料纯度及
50、规格的变化催化剂原料纯度及规格的变化3.生产装置有较大的适应性，适合品种多、灵活性生产装置有较大的适应性，适合品种多、灵活性大的特点大的特点4.生产操作人员技术要求高生产操作人员技术要求高1.7 催化剂制备的一般特点催化剂制备的一般特点应具备较好的化工基础知识，熟练掌握多品应具备较好的化工基础知识，熟练掌握多品种生产方法，防止因操作失误造成质量事故种生产方法，防止因操作失误造成质量事故或安全事故或安全事故5.要重视三废处理，减少环境污染要重视三废处理，减少环境污染废水废水废气废气废渣废渣1.原料的采购及科学管理原料的采购及科学管理1.8 原料的选择及使用原料的选择及使用及时了解金属资源及价格变
