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      催化劑設計與催化機理

      方案簡介

      催化是研究化學反應的能壘和速率受到其他物質影響的學科。通常在異相催化過程中,催化底物(反應物)是在催化劑的表面上發生反應的,這其中涉及了一系列吸附、輸運、化學反應、脫附等過程。催化研究通常包含以下的內容:

      1.催化劑的結構,尤其是表面結構;

      2.底物在催化劑表面的物理吸附、化學吸附以及擴散過程;

      3.催化劑、底物和吸附結構的譜學表征;

      4.催化劑的活性和選擇性的評估,這主要涉及反應機理的可靠驗證。

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      吸附的熱力學和動力學

      1.催化劑的結構,尤其是表面結構

      2.底物在催化劑表面的物理吸附、化學吸附以及擴散過程

      3.在化學反應時間和空間尺度范圍內研究擴散和結構變化

       

      譜學表征

      1.催化劑、底物和吸附結構的譜學模擬,并與實驗進行對照,更好的進行結構解析

      2.模擬分子、塊體、吸附結構等的紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜等

      反應機理研究和速率估算

      1.搜索可能的反應路徑,觀察、研究反應過程

      2.反應速率研究工具,可以根據勢壘直接估算反應速率

      3.使用基于力場的分子動力學,探索未知反應

       

      催化劑活性評估

      1.反應機理可靠性驗證

      2.催化劑的活性和選擇性的評估

      特殊催化體系

      1.電催化。使用獨特的模型可以在電場存在的情況下研究金屬電極表面的反應機理,預測催化活性

      2.光催化。研究表面能級和催化底物能級之間的排列,以及它們之間的電荷轉移可能性,探索光催化機理

       

      催化反應特征

      催化反應有四個基本特征,可以根據定義導出,對了解催化劑的功能很重要。

      1、催化劑只能加速熱力學上可以進行的反應。要求開發新的化學反應催化劑時,首先要對反應進行熱力學分析,看它是否是熱力學上可行的反應。

      2、催化劑只能加速反應趨于平衡,不能改變反應的平衡位置(平衡常數)。

      3、催化劑對反應具有選擇性,當反應可能有一個以上不同方向時,催化劑僅加速其中一種,促進反應速率和選擇性是統一的。

      4、催化劑的壽命。催化劑能改變化學反應速率,在理想情況下催化劑不為反應所改變。但在實際反應過程中,催化劑長期受熱和化學作用,也會發生一些不可逆的物理化學變化。

      根據催化劑的定義和特征分析,有三種重要的催化劑指標:活性、選擇性、穩定性。

       

       

      催化劑組成

      絕大多數催化劑有三類可以區分的組分:活性組分、載體、助催化劑。

      活性組分

      活性組分是催化劑的主要成分,有時由一種物質組成,有時由多種物質組成。

      活性組分分類:

      類別 導電性(反應類型) 催化反應舉例
      金屬 導電體(氧化反應,還原反應) 選擇性加氫;選擇性氫解;選擇性氧化
      過渡金屬氧化物、硫化物 半導體(氧化還原) 選擇性加氫、脫氫;氫解;氧化
      非過渡元素氧化物 絕緣體(碳離子反應,酸堿反應) 聚合、異構;裂化;脫水

       

      載體

      載體是催化活性組分的分散劑、黏合劑或支撐體,是負載活性組分的骨架。將活性組分、助催化劑組分負載于載體上所制得的催化劑成為負載型催化劑。

      常用載體的類型:低比表面積的有:剛玉、碳化硅、浮石、硅藻土、石棉、耐火磚;高比表面積的有:氧化鋁、SiO2-Al2O3、鐵礬土、白土、氧化鎂、硅膠、活性炭。

      助催化劑

      助催化劑是加入到催化劑中的少量物質,是催化劑的輔助成分,其本身沒有活性或者活性很小,但是它們加入到催化劑中后,可以改變催化劑的化學組成、化學結構、離子價態、酸堿性、晶格結構、表面結構、孔結構、分散狀態、機械強度等,從而提高催化劑的活性、選擇性、穩定性和壽命。

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