文档介绍：催化导论
催化科学与工程系
第四章催化剂设计
催化剂设计
针对催化过程设计催化剂
仍然没有成熟的理论
非常有益的尝试
缩小探索试验的范围
明确研究目标
综合已有知识
发现新研究领域
有利于初学者理解科学基础
催化剂设计
催化剂设计
一般程序
目标反应
化学计量分析
热力学分析
分子机理
表面机理
反应途径
催化剂性质
催化材料
提出的催化剂
实例-甲烷氧化制甲醛
目标反应
CH4 + O2 = CH2O + H2O
H0r,25 = - kcal mol-1
G0r,25 = - kcal mole-1
此反应放热,热力学可行,在相当宽温度范围可达很高转化率
现工业用反应
水蒸汽重整制合成气
合成气制甲醇
甲醇氧化
工业需要
一步法催化剂及工艺
高活性、选择性
化学计量分析
重要任务
列出所有可能的化学计量式
分析所有涉及反应的热力学性质
确定反应涉及的化学键转化方式
定义
脱氢 DH
加氢 H
氧化 O
氧插入 OI
脱水 DW
官能团加入 A
化学计量分析
原料分子自身单分子反应
CH4 无
O2 无
自相互作用
2CH4 = C2H6 + H2 DH mol-1
= C2H4 + 2H2 DH
= C2H2 + 3H2 DH
2O2 无
G0r(800K)
化学计量分析
不同原料分子间相互作用
CH4+1/2O2 = CH3OH OI -
= CH2O + H2 OI, DH -
= CO +2H2 OI,DH -
CH4 + O2 = CH2O +H2O OI, DH, O -
= HCOOH + H2 OI, DH, O -
= CO + H2 +H2O OI, DH, O -
=CO2 +2H2 OI, DH, O -
CH4 +3/2O2 = CH2O+ H2O2 OI DH O -
=HCOOH + H2O OI DH O -
=CO +2H2O OI DH O -
=CO2 +H2 + H2O OI DH O -
CH4 + 2O2 = HCOOH +H2O2 OI DH O -
=CO +H2O2 +H2O OI DH O -
=CO2 + 2H2O OI DH O -
化学计量分析
反应物和产物间的反应
CH4 + C2H6 =C3H8 +H2 DH A
CH4 + C2H4 =C3H8 A
CH4 + CH3OH = C2H5OH +H2 DH A
系列反应
½ O2 +H2 =H2O OI -
½ O2 +C2H6 = C2H5OH OI -
½ O2 + CH2O = HCOOH OI -
系列反应
O2 + H2 =H2O2 O -
目标
对所有的可能化学计量反应进行热力学分析
明确化学变化的原理
明确目标反应对催化剂的要求
忽略不进行的反应
例
CH4 + 2O2 = CO2 +2H2O OI DH O -189
CH4 +O2 = CH2O + H2O OI DH O -70
CH4 + O2 = HCOOH + H2 OI DH -67
CH4 + ½ O2 = CH2O + H2 OI DH -20 目标反应?
CH4 + ½ O2 = CH3OH OI -22
CH2O = CO + H2 DH -17
CH3OH = CH2O + H2 DH 2
热力学分析
提出分子反应机理