催化劑與催化作用

前言

由現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程提供的化學產(chǎn)品中大約有85％是借助于催化過程生產(chǎn)的。催化劑是催化技術(shù)的核心，對催化工藝發(fā)展具有舉足輕重的作用。本世紀初多組分熔鐵合成氨催化劑的誕生，是化學工業(yè)發(fā)展的一個劃時代的里程碑。合成氨工業(yè)的巨大成功推動了化學工業(yè)的迅速發(fā)展，也帶動了一系列的基礎(chǔ)理論工作。催化裂化是煉油工業(yè)中由重油生產(chǎn)汽油的重要工藝。從1928年發(fā)現(xiàn)多孔白土可以裂化重油到20世紀50年代末催化裂化技術(shù)，一直是沿著無定形硅鋁裂化催化劑漸進式地進步。直到20世紀60年代美國莫比爾石油公司將沸石新催化材料用做裂化催化劑后，催化裂化技術(shù)才出現(xiàn)了突破，有了飛躍的發(fā)展。由于稀土沸石分子篩裂化催化劑具有大幅度增產(chǎn)汽油和提高裝置能力等優(yōu)點，在美國只經(jīng)過短短四五年時間就取代了硅鋁催化劑，被譽為“20世紀60年代煉油工業(yè)的技術(shù)革命”。20世紀70年代，美國莫比爾石油公司合成出一種新型分子篩，稱為ZSM一5。這種分子篩對反應物和產(chǎn)物有按分子直徑大小篩分的作用，使過去按分子的化學類別進行催化反應，發(fā)展為按分子的形狀進行催化反應，稱為“擇形催化”。利用ZSM一5分子篩的這一擇形催化特性，開發(fā)了一系列石油化工催化新工藝。許多標志20世紀70年代以來煉油和石油化工領(lǐng)域重大成就的新工藝都是ZSM一5分子篩新型催化材料應用的結(jié)果。上述事例說明催化劑在催化工藝中的重要作用。新催化劑的創(chuàng)造發(fā)明，是新催化工藝誕生的源泉，也是技術(shù)飛躍的動力。催化劑是提高化學反應速度和控制反應方向最有效的辦法。在工業(yè)中有用的化學反應，首先是反應能否進行，并能進行到什么程度，其次是反應進行得多快，需多長時間能達到平衡狀態(tài)。前者屬于化學熱力學范圍，后者則是化學動力學要回答的問題。從實用角度看就是反應的產(chǎn)率和速度。一個工業(yè)上有價值的化學反應必須同時具備有利的產(chǎn)率和速度。

內(nèi)容概要

《催化劑與催化作用》作者王桂茹教授和他的同事們從20世紀80年代初開始講授催化劑與催化作用這門課程，當時在工科院校中為石油化工專業(yè)開設(shè)催化劑課程還很少。因此，經(jīng)歷了長時間的探索，在長期的教學實踐中不斷總結(jié)和完善，從試用教材發(fā)展為專用教材。
本書以現(xiàn)代工業(yè)催化技術(shù)采用的催化劑和催化反應為起點，分析各種影響因素，逐步認識催化劑的作用和反應機理，達到掌握基本知識和基本理論的目的。

書籍目錄

第1章 催化劑與催化作用基本知識
  1.1 催化作用的特征
    1.1.1 催化劑和催化作用的定義
    1.1.2 催化作用不能改變化學平衡
    1.1.3 催化作用通過改變反應歷程而改變反應速度
    1.1.4 催化劑對加速化學反應具有選擇性
  1.2 催化反應和催化劑的分類
    1.2.1 催化反應分類
    1.2.2 催化劑分類
  1.3 固體催化劑的組成與結(jié)構(gòu)
    1.3.1 固體催化劑的組成
    1.3.2 固體催化劑的結(jié)構(gòu)
  1.4 催化劑的反應性能及對工業(yè)催化劑的要求
    1.4.1 催化劑的反應性能
    1.4.2 對工業(yè)催化劑的要求
  1.5 多相催化反應體系的分析
    1.5.1 多相催化反應過程的主要步驟
    1.5.2 多相催化反應中的物理過程
    1.5.3 多相催化反應的化學過程
    1.5.4 多相催化反應的控制步驟
  參考文獻
第2章 催化劑的表面吸附和孔內(nèi)擴散
  2.1 催化劑的物理吸附與化學吸附
    2.1.1 物理吸附與化學吸附
    2.1.2 吸附位能曲線
    2.1.3 吸附在多相催化反應中的作用
  2.2 化學吸附類型和化學吸附態(tài)
    2.2.1 化學吸附的類型
    2.2.2 化學吸附態(tài)
  2.3 吸附平衡與等溫方程
    2.3.1 等溫吸附線
    2.3.2 等溫方程
  2.4 催化劑的表面積及其測定
    2.4.1 BET法測定比表面積
    2.4.2 色譜法測定比表面積
  2.5 催化劑的孔結(jié)構(gòu)與孔內(nèi)擴散
    2.5.1 催化劑的孔結(jié)構(gòu)
    2.5.2 催化劑的孔內(nèi)擴散
  參考文獻
第3章 酸堿催化劑及其催化作用
  3.1 酸堿催化劑的應用及其分類
    3.1.1 酸堿催化劑的應用
    3.1.2 酸堿催化劑的分類
  3.2 酸堿定義及酸堿中心的形成
    3.2.1 酸堿定義
    3.2.2 酸堿中心的形成
  3.3 固體酸性質(zhì)及其測定
    3.3.1 固體酸性質(zhì)
    3.3.2 固體酸表面酸性質(zhì)的測定
    3.3.3 超強酸
  3.4 酸堿催化作用及其催化機理
    3.4.1 均相酸堿催化
    3.4.2 多相酸堿催化
  3.5 沸石分子篩催化劑及其催化作用
    3.5.1 沸石分子篩的組成與結(jié)構(gòu)
    3.5.2 沸石分子篩的特性
    3.5.3 沸石分子篩的酸堿催化性質(zhì)及其調(diào)變
    3.5.4 沸石分子篩的擇形催化作用
  3.6 典型酸催化劑催化反應剖析
    3.6.1 石油烴的催化裂化
    3.6.2 芳烴的異構(gòu)化、歧化、烷基轉(zhuǎn)移反應
    3.6.3 甲醇、合成氣制汽油（MTG）、烯烴（MTO）和芳烴（MTA）
  參考文獻
第4章 金屬催化劑及其催化作用
  4.1 金屬催化劑的應用及其特性
    4.1.1 金屬催化劑的應用
    4.1.2 金屬催化劑的特性
  4.2 金屬催化劑的化學吸附
    4.2.1 金屬的電子組態(tài)與氣體吸附能力間的關(guān)系
    4.2.2 金屬催化劑的化學吸附與催化性能的關(guān)系
  4.3 金屬催化劑電子因素與催化作用的關(guān)系
    4.3.1 能帶理論
    4.3.2 價鍵理論
  4.4 金屬催化劑晶體結(jié)構(gòu)與催化作用的關(guān)系
    4.4.1 金屬催化劑的晶體結(jié)構(gòu)
    4.4.2 晶體結(jié)構(gòu)對催化作用的影響
    4.4.3 金屬催化劑晶格缺陷和不均一表面對催化劑性能的影響
  4.5 負載型金屬催化劑及其催化作用
    4.5.1 金屬分散度與催化活性的關(guān)系
    4.5.2 金屬催化反應的結(jié)構(gòu)敏感行為
    4.5.3 金屬與載體的相互作用
    4.5.4 負載金屬催化劑的氫溢流現(xiàn)象
  4.6 合金催化劑及其催化作用
    4.6.1 合金的分類和表面富集
    4.6.2 合金的電子效應和幾何效應與催化作用的關(guān)系
  4.7 金屬催化劑催化作用的典型剖析
    4.7.1 合成氨工業(yè)催化劑
    4.7.2 乙烯環(huán)氧化工業(yè)催化劑
    4.7.3 催化重整工業(yè)催化劑
  參考文獻
第5章 過渡金屬氧（硫）化物催化劑及其催化作用
  5.1 過渡金屬氧（硫）化物催化劑的應用及氧化物的類型
    5.1.1 過渡金屬氧（硫）化物催化劑的應用及其特點
    5.1.2 過渡金屬氧化物催化劑的結(jié)構(gòu)類型
  5.2 金屬氧化物中的缺陷和半導體性質(zhì)
    5.2.1 半導體的能帶結(jié)構(gòu)和類型
    5.2.2 n型和p型半導體的生成
    5.2.3 雜質(zhì)對半導體催化劑費米能級Ef、逸出功和電導率的影響
  5.3 半導體催化劑的化學吸附與半導體電子催化理論／128
    5.3.1 半導體催化劑的化學吸附
    5.3.2 氧化物催化劑的半導體機理
  5.4 過渡金屬氧化物催化劑的氧化-還原機理
    5.4.1 過渡金屬氧化物催化劑的金屬-氧鍵強度對催化反應的影響
    5.4.2 金屬氧化物催化劑氧化還原機理
  5.5 過渡金屬氧化物中晶體場的影響7
    5.5.1 過渡金屬氧化物晶體場穩(wěn)定化能
    5.5.2 晶體場穩(wěn)定化能對催化作用的影響
  5.6 過渡金屬氧化物催化劑典型催化過程分析
    5.6.1 鉬鉍系復氧化物催化劑催化的丙烯氨氧化制丙烯腈
    5.6.2 釩系復氧化物催化劑催化c烴選擇氧化制順酐
    5.6.3 尖晶石型復氧化物催化劑催化乙苯脫氫制苯乙烯
    5.6.4 氧化鈷（鎳）-氧化鉬（鎢）臨氫脫硫催化劑催化作用
  參考文獻
第6章 絡(luò)合催化劑及其催化作用
  6.1 絡(luò)合催化劑的應用及化學成鍵作用
    6.1.1 絡(luò)合催化劑的應用
    6.1.2 過渡金屬絡(luò)合物化學成鍵作用
  6.2 絡(luò)合物催化劑的形成與絡(luò)合物的反應
    6.2.1 過渡金屬d電子組態(tài)與絡(luò)合物配位數(shù)的關(guān)系
    6.2.2 絡(luò)合物催化劑中常見的配位體及其分類
    6.2.3 絡(luò)合物氧化加成與還原消除反應
    6.2.4 配位體取代反應和對位效應
    6.2.5 型配位體的重排、插入與轉(zhuǎn)移反應
  6.3 絡(luò)合空位的形成、反應物的活化和絡(luò)合催化劑的調(diào)變
    6.3.1 絡(luò)合空位的形成
    6.3.2 反應物的活化
    6.3.3 絡(luò)合物催化劑的調(diào)變
  6.4 絡(luò)合催化機理及絡(luò)合催化實例分析
    6.4.1 絡(luò)合催化的一般機理
    6.4.2 絡(luò)合物催化劑的催化作用實例分析
  6.5 絡(luò)合催化劑的固相化及金屬原子簇催化劑
    6.5.1 均相絡(luò)合催化劑的優(yōu)缺點
    6.5.2 均相絡(luò)合催化劑的固相化
    6.5.3 金屬原子簇催化劑
  參考文獻
第7章 催化劑的選擇、制備、使用與再生
  7.1 催化劑的選擇分類
    7.1.1 現(xiàn)有催化劑的改進
    7.1.2 利用廉價原料研制開發(fā)化工產(chǎn)品所需催化劑
    7.1.3 為化工新產(chǎn)品和環(huán)境友好工藝的開發(fā)而研制催化劑
  7.2 選擇催化劑常用方法
    7.2.1 利用元素周期表進行催化劑活性組分的選擇
    7.2.2 利用催化功能組合構(gòu)思催化劑
  7.3 催化劑的制備與催化劑的預處理
    7.3.1 催化劑制備的主要方法
    7.3.2 催化劑的預處理（活化）
  7.4 催化劑的失活與再生
    7.4.1 催化劑中毒
    7.4.2 催化劑的燒結(jié)
    7.4.3 催化劑的積碳
    7.4.4 催化劑的再生
  參考文獻
第8章 環(huán)境催化
  8.1 環(huán)境催化的特點和研究內(nèi)容
  8.2 機動車尾氣凈化催化技術(shù)
    8.2.1 汽油機尾氣凈化催化技術(shù)
    8.2.2 柴油機汽車
  8.3 排煙脫硫、脫氮技術(shù)
    8.3.1 催化脫除N0
    8.3.2 催化脫除SO
    8.3.3 同時催化脫除SOx和NOx
  8.4 催化燃燒
  8.5 CO和氯氟烴（CFCs）的催化治理
    8.5.1 CO2的催化利用
    8.5.2 氯氟烴的催化治理
  8.6 水污染治理
    8.6.1 反應機理
    8.6.2 半導體光催化劑
    8.6.3 光催化反應器
  8.7 清潔燃料的生產(chǎn)和環(huán)境友好催化技術(shù)的開發(fā)
    8.7.1 清潔汽油、柴油的開發(fā)
    8.7.2 生物柴油
    8.7.3 環(huán)境友好催化劑及催化技術(shù)的開發(fā)
參考文獻
總習題
總習題參考答案
附表

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