文档介绍：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。
从长远发展角度,生物催化、生物质资源的催化转化,是可持续发展的需要。
催化剂与催化作用
-本章主要内容
催化作用的基本概念和原理
催化剂的主要组成和功能
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
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。
催化剂是如何加速反应速率的?-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
G0=—RT1nKP ,
其中KP为反应的平衡常数,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。