第10章工业催化剂的设计

1、催化剂设计根据合理的程序和方法有效地利用未系统化的法则、知识和经验,，在时间上和经济上最有效的开发和制备新催化剂的方法I1）要进行热力学分析，指明反应的可行性，最大平衡产率和所要求的最佳反应条件,催化剂的经济性和催化反应的经济性*环境保护等：选择性、2）分析催化剂设计参数的四要素:活性、稳定性/寿命、再生性。而传质传3）催化反应过程与催化剂化学性质有关;；热则与物理性质有关，要兼而顾之。一般而言，大多数固体催化剂由三部分组成:；活性组分、助剂和裁体。催化剂中主要组分就是指催化剂中最主要的活性组分是催化剂中产生活性、可活化反应分子的部分.一般来说，由于催化剂的非均匀性.只有催化剂的局部位置才产生

2、活性称为活性中心或活性部位。活性中心可以是原子、原子簇、离子、离子缺位等,但在反应中活性中心的数目和结构往往发生变化。1=主要组分的选择依据：1）根据有关催化理论归纳的参数；2）基于催化反应的经验规律；3）基于活化模式矗考虑。1.根据有关催化理论的参数进行考虑(1)d特性百分数在成键轨道中d轨道占的百分率称为d特性百分数。金属的d特性百分数越大，表明电子留在(1带中的百分数越多，也就表明d带中空穴越少。对化学吸附而言，催化反应要求吸附不能太强，也不能太弱。金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随(1特

3、性百分数增加，加氢活性也增力口，Rh>Pd>Pt>Ni>Fe>Ta°1.根据有关催化理论的参数进行考虑(2)半导体费米能级和逸出功由半导体的费米能级和逸出功来判断电子得失的难易程度，进而了解适合于何种反应。半导体催化剂是使用很广泛的非化学计量的氧化物,非化学计量往往是由杂质或缺陷所引起的。如：合成气制甲醇催化剂：加Q-C场QrCuQ丙烯氨氧化催化剂哉MoO3-Bi2O3-P2O5/SiO2丁烯氧化脱氢催化剂:P26MQO3Ei2OySiQ2二甲苯氧化制苯酹催化剂:V2O5-TiOrK2O-P2O5/SiO21.根据有关催化理论的参数进行考虑(2)半导体费

4、米能级和逸出功n型半导体是电子导电。HzCO等还原性气体，在吸附时它们把电子给与氧化物,所以在n型半导体上容易吸附。如ZnO、TiO2、MoO3、FezOs等。P型半导体是带正电荷的空穴导电。02在p型半导体上容易吸附，因为需要从氧化物中得到电子，使02变为p型半导体的金属离子易脱出电子而生成CF。如gO、NiOvQoO等。2018/10/85催化剂主要组分的设计1.根据有关催化理论的参数进行考虑(2)半导体费米能级和逸出功费米能级Ef是表示半导体中电子的平均能量。逸出-«»»Zr>ONiO型半导体P型半导体M绝缘体单晶Ge本征半导体Si图4-36各种体的能

5、带结构1.根据有关催化理论的参数进行考虑(2)半导体费米能级和逸出功催化剂制备过程中引入杂质，在满带和空带之间出现新的能级。如果新的能级靠近导带，其上的电子受热激发能够跃迁至导带，成为n型导电。这样的能级称为施主能级。如新的能级更靠近满带，由于其能够接受满带中跃迁来的价电子，成为p型导电。这样的能级称为受主能级。1.根据有关催化理论的参数进行考虑Q）半导体费米能级和逸出功kTlk'i气体分子在表面的吸附也可以看成是增加一种杂质以正离子态被吸附的CH3+、C6H5+可以看作能给出电子的施主杂质；以负离子形态吸附的or0等可接受电子的气体可看作是受主杂质。1=1理论指出，对许多涉及氧的反应

6、P型半导体氧化物最活泼”绝缘体次之n型半导体氧化物最差。2018/10/87催化剂主要组分的设计1.根据有关催化理论的参数进行考虑(3)晶体场、配位场理论晶体场理论认为中心离子的电子层结构在配位场的作用下，引发轨道能级的分裂。在催化作用中，当一个质点被吸附在表面上形成表面复合物，则中心离子的配位情况会改变，其d轨道在配位场的影响下会发生分裂，分裂的情况与过渡金属离子的性质和配位体的性质有关；同时，中心离子对配体也有影响。2018/10/89催化剂主要组分的设计玄基于催化反应的经验规律(1)活性模型法戟对于某一类催化反应或某一类型的催化反应研究，常常得出不同確"为I亦原亲站汪桩耳術右轴

7、律的变化。7們T1=0*000o<599?>>*S妥艺刍北3耳t一出口力交锁csuC)7乙烯加犢<-120-4i>D'C)触一*-丙/一环己绘吱化(2DCI-dCf?d<5?§£仑>&1£555N:亠轼轨化光活at燃“咖皙化逸承対散<lr)<300X7)2018/10/813初A、POM>UM%»»»fn<fITOIMMOCV1=2基于催化反应的经验规律(2)从吸附热推断：在某些情况下,可以从吸附热的数据去推断催化剂的活性。通常对反应分子具有中等强度吸附

8、的固体表面具有良好的催化活性。0侧.1624J2COI&附热旳曲丿moDCoIQS竇曲举$3金时00甲烷化反应的梧性耳朕附热的关茶金朋载崔埶化物就体I:3基于反应物分子活化模式的考虑虫的活化蛊在金属催化剂上，在-5Q°C-100°C下"可按照LH(LangmairHinshelwood)机理进行解离吸附。解离后的原子H可在金属表面移动，可以对不饱和化合物加氢。"“rH八一H片呷H-»*H-GHqCzHs二亠GHqJ*rnirintari在金属氧化物上"如56、C、NiQ、ZnO等，ft400°C下经真空干燥除去表面氧

9、化物的轻基，使金属离子暴露，常温下可使亟非解离吸附。少Hs-lin催化剂主要组分的设计3基于反应物分子活化模式的考虑RB（2）02的活化非解离吸附（CV形式参与表面过程）；解离吸附（以O-和-形式参与表面过程）0乙烯在Ag催化剂上的环氧化反应:HnC=CN.、/Oo产生的原子氧催化副反应:C2H4+6O282+2”6C2H4+6O26C2H4O+60所以环氧乙烷的收率为6/7,86%左右；CO?收率为1/7,14%左右。3基于反应物分子活化模式的考虑IIIfin(3CO的活化*CO解离能为1073kJ/mol,分子相对稳定。在Pd、Pt、Rh上温度高达300°C保持分子态吸附；若为M

10、q、W>Fe在常温下也能使CO解离吸附。H、hHcCHlR/H(4)饱和炷分子的活化：金属和酸性金属氧化物都可以活化。HHHH早H-CCH.RHCCH2R：CR/M11J-MH|IHMMM由于金属M对H的亲和力强歩可使饱和疑发生脱氢反应。有时在相邻金属上吸附的发生氢解°饱和矩分子在超强酸的金属氧化物作用下，脱出H-”自身以正碳离子形式活化。3基于反应物分子活化模式的考虑(5)不饱和绘分子的活化依酸性催化剂、金属催化剂和碱性催化剂而异。a) 酸性催化剂以H+与不饱和桂分子加成为正碳离子，后者在高温下一般发生卩位置CC键的断裂歩生成裂解产物;也有可能发生CH3基的移动，进行骨架异构

11、化。这两种都是以三元环或四元环为中间物蛊2018/10/815催化剂主要组分的设计2018/10/8193基于反应物分子活化模式的考虑（5）不饱和桂分子的活化:a）酸性催化剂以H+与不饱和烧分子加成为正碳离子:还有可能低温下进行烷基加成反应:CH3CH+CHf=CH3CHCHCH在H2O存在下还有可能反应生成醇：TRCHCFU+H£O*RCH（OH>-CH盂+H*曲化剂）2018/10/816少""陨|.丿wwoginmwm«ewowc3基于反应物分子活化模式的考虑不饱和矩分子的活化議b）金属催化剂活化主要起催化加氢反应。c）碱性催化剂活化主要是使

12、烷基芳炷进行侧链烷基化:CHjCH?CH；GH；ch3©d）非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和矩的活化可能是6兀键合型的络合活化蛊X键"键4催化剂主要组分设计实例一丙烯脱氢环化生成苯催化剂的设计(1)热力学计算表明反应是可能的；0)丙烯转化为苯的可能反应过程：2CHaCHCHj-三判兔CH2=CHCHSCHiCHCH3+h|城氧球ftJ也工6+h,涉及脱氢、二聚和环化三个过程，而且每步中都发生脱氢反应。因此催化剂设计时可以将脱氢过程作为设计催化剂主要考虑依据,兼顾二聚和环化过程。(3)考虑氧化物催化剂:参与反应的吸附物种在表面吸附的强度适中。催化剂次要组分的设计4催化剂

13、主要组分设计实例一丙烯脱氢环化生成苯催化剂的设计nr;丙烯在氧化物表面可以脱氢生成心烯丙基物种，再而反应生成丙烯醛或己二烯。我们要设计的催化剂是由己二烯环化脱氢生成的苯，所以应选择可以同时吸附两个兀-烯丙基并同时得到两个电子的金属氧化物，其间金属离子被还原。从周期表中找到Sn2+/Sn4+、Ti+/Ti3+、Pb2+/Pb4+>BF+/Bi5+及In+/In3+,考虑其它因素,可以最后选取Bi系和In系为催化剂的主要成分。丧公2CHjCH-=CHX)2M-*O2-+违一淤h2%xccZ+何心O/催化剂次要组分主要是助催化剂，也可以做为抑制剂或隔离剂但不包括载体。1.助催化剂的种类与功能(

14、1)助催化剂/助剂哉负责调变催化剂主要成分的催化性能，自身没有活性或只有很低活性的物质，以少量(通常低于总量的10%)加入催化剂后，与活性组分产生某种作用，使催化剂的活性、选择性、寿命等性能得以显著改善。如合成氨铁催化剂中的AI2O3和K2O；合成环氧乙烷银催化剂中的CaOBaO.催化剂次要组分主要是助催化剂，也可以做为抑制剂或隔离剂但不包括载体。人助催化剂的种类与功能(2)助剂的种类与功能:结构性助剂和调变性助剂；a) 结构性助剂：为惰性物质，在催化剂中以很小的颗粒形式存在，起到分隔活性物种微晶，避免它们烧结、长大的作用，从而维持催化剂的高活性表面不降低，如合成氨铁催化剂中的A12O3

15、87;合成甲醇用的ZuO催化剂中加入的CFq®等。2018/10/823催化剂次要组分的设计h助催化剂的种类与功能（2助剂的种类与功能蛊a）结构性助剂蛊有效的结构性助剂：不与活性组分发生反应形成固溶体;应为很小的颗粒，具有高度的分散性能；有高的熔点。判断结构性助剂的常用方法用比表面判断，结构性助剂的存在使催化剂保持较高的比表面；结构性助剂的加入不改麦皮应的詰北能。合成氨铁催化剂的活性组分是小晶粒形态的a-Fe,其活性很高，但不稳定，短时间内就失活。在制备过程中若加入少量AI2O3就可使其活性延长。原因是AI2O3在多孔aFe微晶结构中起到隔膜作用，防止铁晶粒的烧结，避免了活性表面的下

16、降。CO选择化学吸附实验表明，AI2O3在催化剂中主要分布在颗粒外表面上，并且还发现，在873K下退火，不加AI2O3的aFe晶粒显著增大，加Ab®的aFe晶粒大小不变。1.助催化剂的种类与功能(2)助剂的种类与功能冉,引起许多化学效应b) 调变性助剂：改变催化和物理效应。对金属和半导体催化剂而言，调变性助剂可以引起催化剂电导率和电子逸出功的变化。所以调变性助剂又可称为电子性助剂。调变性助剂有时可以使活性成分的微晶产生晶格缺陷，造成新的活性中心。判断调变性助剂的常用方法：调变性助剂使化学吸附强度和反应活化能都会发生改变。化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。例如合成氨催化剂中IQ

17、O就是调变性助剂。1232018/10/825催化剂次要组分的设计玄助催化剂的设计(1)针对催化剂的主要成分出现的问题，利用科学知识和催化理论设计助催化剂=如烯桂异构化反应中常会生成裂解产物，这就需要调节所用催化剂的酸性质"使其酸中心减少”这可通过添加碱性物质实现。又如同是烯炷的反应，如果目的产物是芳矩”由于完全氧化都会生成一定数量的co2,生成CO2比生成其它产物需要更多的氧，所以添加不利于氧吸附的助剂，在一定程度上可以抑制CO2的生成，提高反应选择性。玄助催化剂的设计(2) 通过研究催化反应机理确定助催化剂：a)最广泛使用的方法是采用最新发展的分析技术研究催化剂表面和表面上所发生

18、的化学反应。进行这些研究的主要目的是试图找到活性中心或反应中间体，通过添加组分和改变催化剂的方法，使反应沿着需要的途径，以最佳状态顺利进行。要掌握催化表面科学知识。=Jb)另一种间接的方法是设计一种具有特定骨架结构的催化剂，研究其中可以控制的部分。研究目的是鉴别不同添加剂和已知中间体的作用，研究影响活性和选择性的因素，以便使催化剂获得最佳性能。2018/10/827载体的选择M固体表面上，这种固体就称为载体。h载体的作用(1) 降低催化剂成本(2) 提高催化剂的机械强度：使催化剂有最适宜的几何构型。对某些活性组分而言，只有把活性组分负载在载体之后*才能使催化剂得到足够的强度和几何构型，才能适合

19、各种反应器的要求。(3) 催化剂的活性和选择性:载体使活性组分微粒化，可增加催化剂的活性表面积，还使晶格缺陷增加，生成新的活性中心，提高催化剂的活性，如金属一载体强相互作用。h载体的作用（4）延长催化剂寿命a）提高耐热性；一般用耐火材料作为载体。|=:烧结：一定温度下活性组分颗粒接触面上的原子或分子会发生作用，使粒子增大。烧结开始的温度有两种表示方法：在结晶表面由原子开始移动的温度Th»03Tm（金属熔点）；晶格开始松动的温度Tt»0.5Tm（金属熔点）。金属在载体上的分散提高了金属烧结的温度。b）提高耐毒性：使活性组分高分散;裁体可以吸附部分毒物,甚至可以分解部分毒物。c

20、）提高传热系数:：可以防止催化剂床层的过热而导致催化剂活性下降。d）催化剂活性组分的稳定化:降低某些易升华活性组分如MoO3xRe2O7>PQs、Te的损失，延长催化剂的寿命。2018/10/829<fimiMMow载体的选择2裁体的种类(1)按比表面大水分类a) 低比表面积载体蛊如SiC、金刚石、沸石等，比表面V20m2/g.这类裁体对所负载的活性组分没有太大影响6无孔低比表面载体：如石英粉、SIC、刚铝石等比表面V1mVg»特点是硬度高、导热性好、耐热性好，常用于热效应较大的氧化反应中。有孔低比表面载体如沸石、SiC的粉末烧结材料、耐火砖、硅藻土等比表面v2Qm2/g

21、。2.载体的种类按1h苗亠部分載体的比衰页和比孔容比裘面代tt?L-<rm5-;g>理JIr-活性規9001100tL32.0WE酸铝力fili胶400700350-6WOr5Q、SIy-AhQi1007町0,2-Q.3筋制上1恥28U(h30.5矶土7旳(X25MgO30旳0.3Cl曲土2-800-5-5.1116钢钳石1.110,030.45儀刚石0-070.34SlC<1C-40滞右f04耐火砖<12载体的种类(2)按酸碱性分类a)碱性材料：MgO©800°C);CaQ(197§°C;ZnQa97yC/M磁Q6CTChb)

22、两性材料盒MOa樓Q15°C);Ti6(18259；ThO2(3050°C);Ce2O3(1692oC);CeO2(2600°C);CrO3(2600°C)。c) 中性材料蛊MgAb®CaAl2O4(1600°C);CaaAbQi(1533°C分解)；MgSiO2(1910°C);CSiQi(2130°C);CaTiO3(1975°C);CaZnO3(2550°C);MgSiO3(155702&6Q§4QP);碳。d) 酸性材料：SiO2(1713°C);S

23、iO2+A12O3;沸石；磷酸铝;碳。3.几主(I)A12O3：工业催化剂用得最多的载体。价格便宜，耐热性高,活性组分的亲和性很好。从结构角度来讲，氧化铝有很多种。通常由铝盐制备出氢氧化铝，后者脱水即得氧化铝。在制备过程中经历三种不同的水和状态QA12O33H2O或A1(OH)3,包括拜尔石和水铝石爲=JA12O3H2O或AIO(OH),主要是水软铝石；(倉仇6»n随温度升高而降低。AI2O3有微弱酸性"其表面结构轻基不显Bronsted酸性，结构轻基失水后得到的裸露的A1显Lewis酸性，t-A12O3酸性稍强于Y-AI2O3。加入电负性较强的元素可以提高AI2O3的酸性

24、。2018/10/833载体的选择3.几种主要载体硅胶：化学成分为SiC)2。通常由水玻璃(Na2SiO3)酸化制取。水玻璃与酸作用后生成硅酸；硅酸聚合、缩合，形成结构不确定的聚合物，其中主要含Si-O-Si»,这种聚合物以凝胶或胶体形式沉淀；沉淀经干燥后最终得到干胶。室温下硅胶表面有一层物理吸附的水，表面同时存在硅轻基。在423473K时，大部分吸附的水脱附；在更高温度下，相邻的硅疑基脱水形成SiOSi结构。SiC)2是用得较多的载体，但在工业上的应用少于AI2O3,这是因为制备困难，与活性组分的亲和力弱，水蒸气共存下易烧结等缺点。Si()2表面活性基团是SiOH和SiOR二种。S

25、iOH显弱酸性。一般SiOH量为0.5lm2/g,以表面积0.25050iim2存在一个OH基为宜。2018/10/8#载体的选择硅E2018/10/833载体的选择2018/10/8373.几种主要载体（3）硅藻土：自然SiGg含少量的Ca©>MgO、AJ2Q3及有机物，其孔结构和比表面随产地而变。使用前要用酸处理一是为了提高SiC）2的含量，增大比表面、比孔容和主要孔半径；二是为了提高热稳定性,经酸处理后，再在1173K下焙烧”可进一步增大比表面。硅藻土主要用于制备固定床催化剂。-coon0o=<pnooc和竣基等官能团。OliO3.几种主要载体=J活性炭：主要成分是

26、C,含有少量H、O、N、S和灰分等。活性炭具有不规则的石磨结构，表面存在援基、酿基、羟基活性炭特征是具有发达的细孔和大的表面积,热稳定高。活性炭的制备包括碳化和活化。活化是在水蒸气.CO2>空气等氧化性气氛中7501050°C处理，也可用ZnCl2.H3PO4浸渍在高温处理。一般活性炭含5%灰分歩比表面、积为5001200m2/g,微孔径为OO1OOOO0T01010Ilocx：0>5nm,孔容为0.61,0cm3/g,填充密度0.40.56g/cmJ3几种主要载体（5）TW具有锐钛矿、板钛矿、金红石三种结晶形态。板钛矿因为不稳定难以合成骂锐钛矿在较低温度下生成，相对密度

27、为384,比表面积较大；锐钛矿在600100（TC加热就变成金红石,金红石相对密度42签比表面积较小。TiO2表面存在OH基，制备方法和杂质能影响其酸碱性，但总的来说是较弱的。0H与一个Ti相连显碱性，OH与两个Ti相连显酸性。工业上TK）2载体的化学组成（质量分数）为：TiO295%；$63«4%基1M%.比表面积为7211?/反应物分子5>TffS/nm我体有效遊All輕AnnH?(>T,27A弗拂石0.3-0.5"EQ.33钿li6J5-(lQ.37ZSKF50-5-0.621*疋绘tl7.IS尝朮涕仃(LV-CL7"一个(H屮基的链烷婭0.52

28、7,S苯.屮苯.对二甲辈58AIIX)416200,3邻.何二屮米762AIPOt-14<330.41,3-5772AJPC)fid7.180.1?AlPOi-ll0.G1A1POV31083.几种主要亍:体(6)分子筛:反应物分子直径与载体的有效进入口若用上述分子筛作载体，则仅使具有特定大小的分子在微孔内反应，或者是仅有特定大小的分子生成，这就是择形性催化剂。载体的选择软对载体的要求和选择载体除了分散稳定催化活性物质，还有一些重要作用蛊金属与载体间的相互作用;载体在双功能催化剂中的作用；发生在金属和氧化物载体之间的溢流作用。选择载体应注意下列性能和问题:1）良好的机械性能;2）几何状态

29、;3）化学性质;4)经济核算5）热稳定性。2018/10/838催化剂物理结构的设计催化剂的物理结构：组成固体催化剂各粒子或粒子聚集的大小.形状与孔隙结构所构成的表面积、孔体积.孔大小的分布及与此相关的机械强度。具体地包括：催化剂的外形.颗粒的大小、真密度、颗粒密度、堆密度、比表面、孔容积、孔径分布、活性组分的分散度及机械强度等。1.催化剂的物理结构对催化反应的影响催化剂上的反应速率：rrsSgf心是催化剂单位表面上的反应速率（比活性）；Sg为催化剂的比表面盂伪催化剂的内表面利用率。工业催化剂在较高温度下,比活性心取决于催化剂的化学组成，是一个常数，因此对一定化学组成的催化剂其活性取决2催化剂的形状选择各种催化剂的形状形状夕卜径壕料片310mmDncftn环环狀IQ2Urnm压片机rai球同症床、穆前床球S25mmo1561材未费ISIIt(0-53)mm