酸中心的形成与结构.ppt

1、第三章 酸碱型催化剂及其催化作用,酸碱的基本概念 酸性质及其测定方法 酸中心的形成 酸碱催化机理 典型催化剂及其催化作用 分子筛及其催化作用,工业上重要的酸催化剂及催化反应,酸碱催化剂是石油化工中使用最多的催化剂，其催化作用是通过质子转移得以实现的。 像裂解、异构化、烷基化、歧化、聚合、水合、水解等一些重要反应。 工业上应用的酸催化剂多数是固体酸，常见的有硅酸铝、氧化物、分子筛，金属盐类、酸性离子交换树脂等。 近30年来，对于固体酸的催化剂的组成、结构、活性、选择性等与其表面酸中心的形成和酸性质的联系有了比较深入的了解，使得多相酸催化在理论和实践上获得了长足的进展。 对固体碱催化剂的研究和了解

2、较少一些，近年来也加强了研究。,工业上重要的酸催化剂及催化反应,凡是能接受电子对的物质称为L酸，凡是能给出电子对的物质称为L碱 BF3:NH3 F3B:NH3 L酸 L碱 配位化合物 L酸可以是分子、原子团、正碳离子或具有电子层结构未被饱和的原子。L酸与L碱的作用实质上是形成配位化合物。,一、酸碱的基本概念,1. 酸碱定义,Lewis酸碱定义,凡是能给出质子的物质称为B酸或质子酸，凡是能接受质子的物质称为B碱 正反应：H3O+给出质子 B酸 NH4+接受质子 B碱 逆反应： NH4+给出质子 B酸 H2O接受质 B碱,一、酸碱的基本概念,1. 酸碱定义,Bronsted酸碱定义,H3O+和H2

3、O分别构成两个酸碱对， NH4+是NH3的共轭酸，NH3是NH4+的共轭碱,一、酸碱的基本概念,2. 酸碱催化剂的分类,酸中心的类型 酸量 酸强度 酸碱对协同位,二、固体表面的酸碱性质及其测定,B酸中心和L酸中心两类 为了阐明固体酸的催化作用，常常需要区分B酸中心还是L酸中心。 研究NH3和吡啶等碱性物质在固体表面上吸附的红外光谱可以作出这种区分。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,1.固体酸中心类型及其测定,NH3在固体表面上吸附的红外光谱,NH3吸附在L酸中心时，是用氮的孤对电子配位到L酸中心上，其红外光谱类似于金属离子同NH3的配位化合物，吸附峰在3300 cm-1及1640 cm-1 处

4、； NH3吸附在B酸中心上，接受质子形成NH4+，吸收峰在3120cm-1，及1450cm-1处。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,1.固体酸中心类型及其测定,吡啶做探针的红外光谱法,以吡啶做探针的红外光谱法，是广泛采用的方法。 吡啶吸附在B酸中心上形成吡啶离子，其红外特征吸收峰之一在l540 cm-1 处。 吡啶吸附在L酸中心上形成配位络合物，特征吸收峰在14471460 cm -1处。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,1.固体酸中心类型及其测定,例如，HZSM-5分子筛上B酸和L酸与吡啶作用的红外光谱见图所示,图中： （a）在773K下处理后样品的谱图，在3600 cm-1处的吸收峰是由酸

5、性羟基（B酸）所引起的； （b）把样品在773K处理后，再使其吸附吡啶的结果，1550 cm-1处的吸收峰表明B酸与吡啶的结合； （c）把样品在1073K下处理后，再使其吸附吡啶，由于样品发生脱羟基作用，1550 cm-1处的吸收峰强度减弱，相应地，指示L酸的1455cm-1处的吸收峰增强了，从而说明了由于高温引起的B酸向L酸的转化。,酸强度是指给出质子的能力(B酸强度)或者接受电子对的能力(L酸强度)。酸强度表示酸与碱作用的强弱，是一个相对量。 一些酸的强度顺序,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度及其测定,通常用酸强度函数Ho表示固体酸强度，Ho也称为Hammett函数。也可用碱性气

6、体从固体酸脱附的活化能，脱附温度，碱性指示剂与固体酸作用的颜色等表示酸强度。 Hammett酸强度函数Ho B酸：Ho = pKa + log B/BH+ B : 碱(指示剂)的浓度； BH+ : 共轭酸的表面浓度 pKa logKa(Ka表示BH+解离方程的平衡常数) L酸：Ho = pKa + log B/AB B : 碱（指示剂）的浓度； AB : B与A作用后生成AB的浓度 Ho越小，表示酸强度越强,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度及其测定,指示剂滴定法 气态碱吸附法,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度的测定方法,酸性测定，一般用胺类碱 采用系列指示剂，可以测定酸量和

7、强度分布 利用某些指示剂吸附在固体酸表面上，根据颜色的变化来测定固体酸表面的酸强度。测定酸强度的指示剂本身为碱性分子，且不同指示剂具有不同接受质子或给出电子对的能力，即具有不同pka值。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,指示剂滴定法,2.酸强度的测定方法,测定固体酸强度可用一系列不同pka值的指示剂，分别滴入装有催化剂的试管中，振荡使吸附达到平衡，若指示剂由碱型色变为酸型色，说明酸强度H0PKa，若指示剂仍为碱型色，说明酸强度H0PKa 。为了测定某一酸强度下的酸中心浓度，可用正丁胺滴定，使由碱型色变为酸型色的催化剂再变为碱型色。所消耗的正丁胺的量即为该酸强度下的酸中心浓度。,二、固体表面的酸

8、碱性质及其测定,指示剂滴定法,2.酸强度的测定方法,B酸和L酸不能区分 颜色重的样品，不易实现,指示剂法的局限性,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度的测定方法,当气态碱分子吸附在固体酸中心上时，吸附在强酸中心上的比在弱酸中心上稳定，也更难脱附。 当升温排气脱附时，吸附弱的碱首先排出，故根据不同温度下排出的碱量，可以给出酸强度和酸量。 实验是将固体样品置于石英弹簧天平上，经抽空后再引进有机碱蒸气使之吸附。如长时间抽空样品重量不变，那么遗留在样品上的碱量就可作为化学吸附量。 用于吸附的气态碱有NH3、吡啶、正丁胺等，比较更好的是三乙胺。,气态碱吸附法,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸

9、强度的测定方法,气态碱吸附法已发展为程序升温脱附法 (TPD：temperature programmed desorption） 先低温饱和吸附 程序升温脱附 NH3-TPD CO2-TPD,二、固体表面的酸碱性质及其测定,程序升温脱附法(TPD法),2.酸强度的测定方法,TPD法是将预先吸附了某种碱的固体酸在等速升温并通入稳定流速载气条件下，表面吸附的碱到了一定的温度范围便脱附出来，在吸附柱后用色谱检测器记录描绘碱脱附速度随温度的变化，即得TPD曲线。 这种曲线的形状、大小及出现最高峰时的温度Tm值，均与固体酸的表面性质有关。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度的测定方法,程序升温

10、脱附法(TPD法),阳离子交换ZSM-5沸石的NH3-TPD图,程序升温脱附法(TPD法)局限性,1. 不能区分B酸或L酸中心上解吸的NH3，以及非酸位解吸的NH3； 2. 对于具有微孔结构的沸石，在沸石孔道及空腔中的吸附中心上进行NH3脱附时由于扩散限制，要在较高温度下才能解吸。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,2.酸强度的测定方法,固体酸表面上的酸量，通常表示为单位重量或者单位表面积上酸位的毫摩尔数，即mmol/g或mmol/m2。因为对于不同的酸强度的酸度存在分布，故测量酸强度的同时就测出了酸量。 较常用的方法：指示剂法、TPD法和量热法等。 指示剂法又称非水溶液正丁胺法。此法是在指示剂

11、存在下，以正丁胺滴定悬浮在苯溶液中的固体酸从而求出酸量。使由碱型色变为酸型色的催化剂再变为碱型色。所消耗的正丁胺的量即为该酸强度下的酸中心浓度。 TPD法：用碱性气体的脱附温度表示酸的强度时，该温度下的脱附峰面积表示该强度的酸量。,3. 酸量及其测定,二、固体表面的酸碱性质及其测定,某些反应，虽然由催化剂表面上的酸中心所催化，但碱中心也或多或少地一起协同作用。 这种酸碱中心协同作用的双功能催化剂有时具有很高的活性，即使双功能催化剂的酸碱强度不高，远低于简单的酸或碱催化剂的酸或碱强度。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,4. 酸碱对协同位(酸碱中心对),酸碱中心对作用及表征,ZrO2上酸和碱中心的

12、强度都很弱、但它却具有很强的C-H键断裂活性，比SiO2和MgO的活性都高。 酸碱中心协同催化作用，对于某些反应有很好的活性和选择性。这种反应在酶催化中常见。 在有些情况下，不但需要知道酸中心和碱中心强度，还必须知道酸碱中心对的空间取向(酸碱中心的距离、酸碱中心的尺寸等等)。 可以采用吸附苯酚程序升温脱附(TPD)谱图来表征酸碱中心的性质，即酸碱双功能的催化活性。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,4. 酸碱对协同位(酸碱中心对),酸碱双功能催化剂的表征,苯酚可在酸性SiO2-A12O3上吸附，也可在碱性MgO上吸附，而且也可在ZrO2上吸附。且其脱附温度高于在MgO或SiO2-A12O3上的脱

13、附温度。 显然，苯酚在ZrO2上吸附最强，在SiO2-A12O3上最弱，在MgO上吸附中等。这就说明ZrO2有典型的双功能催化作用。 已经发现ZrO2对烷基苯胺生成氰化物的活性高于SiO2-A12O3和MgO，这可认为是ZrO2的双功能催化作用。,二、固体表面的酸碱性质及其测定,4. 酸碱对协同位(酸碱中心对),单氧化物酸中心的形成与结构 二元氧化物酸中心形成,三、酸中心的形成与结构,A、A族元素的氧化物常表现出碱性质，而A和过渡金属氧化物却常呈现酸性质。 例如氧化铝是广为使用的吸附剂和催化剂，更多场合用作的催化剂载体。它有多种不同的变体，其中最重要的是-A12O3和-A12O3。 Al2O3

14、表面经670K以上热处理，得到- Al2O3和- Al2O3均具有酸中心和碱中心.,三、酸中心的形成与结构,1. 单氧化物酸中心的形成与结构,上述L酸中心很易吸水转变为B酸中心,三、酸中心的形成与结构,1. 单氧化物酸中心的形成与结构,氧化铝 L酸中心是由脱水形成的不完全配位的铝构成，L酸中心吸附水则形成B酸中心，后者的酸强度太弱，以致认为Al2O3不具有B酸性。,三、酸中心的形成与结构,1. 单氧化物酸中心的形成与结构,K.Tanabe(田部浩三)对发展固体酸碱的概念和体系具有重要贡献,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,Tanabe(田部浩三)规则规定： 1.凡是电

15、荷出现不平衡就会有酸性产生。 2.电荷为正过剩则产生L酸，电荷为负过剩则产生B酸。 该规则有两条基本假定： 1.每个金属氧化物正元素的配位数在相混后仍保持不变； 2.主要成分(量多的)的氧原子配位电荷数决定了所有氧元素的配位电荷数。,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,4/3,电荷正过剩L酸,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,2,前者为主要成分,电荷负过剩B酸,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,电荷不过剩无酸性,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中

16、心形成规则,V: 正价元素的价，C:正价元素的配位数,田部酸性生成假说的验证,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,田部酸性生成假说的验证,与实验的符合率为91%,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,田部酸性生成假说的条件,二元氧化物的酸性，应是复合物的酸性，并非是机械混合物的，否则，只能部分地符合。 因此，二元氧化物的酸性，依赖于制备条件。,三、酸中心的形成与结构,2. 二元复合氧化物酸中心形成规则,1. 均相酸碱催化反应机理 2. 多相酸碱催化反应机理,四、酸碱催化作用及其催化机理,均相酸碱催化一般以离子型机理进行。酸碱催化经过离子型的中间化合

17、物，即经过正碳离子或负碳离子进行的，其与另一反应物作用或本身分解，生成产物并释放出催化剂,构成酸碱催化循环，以质子转移步骤为特征。 以广义酸催化作用为例，一般机理是：反应物S先与广义酸HA作用，生成质子化物SH+，然后质子转移，得到产物P,并产生一个新质子， SH+ + H2O P + H3O+,四、酸碱催化作用及其催化机理,1. 均相酸碱催化反应机理,四、酸碱催化作用及其催化机理,1. 均相酸碱催化反应机理,例如，用H2SO4催化醇脱水生成烯烃是特殊酸催化，反应中醇分子的羟基氧原子上含有孤对电子，可与质子形成烊盐，此时氧原子上带有正电荷，从而变为强吸电子基，使C-O键离解。脱水过程如下：,在

18、酸碱催化中包含了催化剂分子把质子转移给反应物。因此催化剂的效率常与催化剂的酸碱强度有关。在酸催化时，酸失去质子的趋势可用它的离解常数来衡量，同样在碱催化时，碱得到质子的趋势也用它的离解常数来衡量。,Bronsted规则,四、酸碱催化作用及其催化机理,1. 均相酸碱催化反应机理,所以酸催化系数应与酸的离解常数成比例。实验表明二者有如下的关系 kaGaKaa 式中Ga和a均为常数，它决定于反应的种类和条件。 对于碱催化的反应，碱催化系数应与碱的离解常数成比例。二者有如下的关系 kbGbKbb,四、酸碱催化作用及其催化机理,1. 均相酸碱催化反应机理,总体上并不清楚 对于烃类的酸催化反应，大致趋向于

19、正碳离子机理 酸性质影响催化活性、选择性,四、酸碱催化作用及其催化机理,2. 多相酸碱催化反应机理,B酸中心形成正炭离子的特点：H+与双键或叁键加成形成正炭离子。 L酸中心形成正炭离子的特点：L酸夺取烃上的负氢离子(H)而形成正炭离子。 氢离子与烯烃加成生成正炭离子所需活化能远远小于L酸从反应物中夺取氢负离子所需的活化能，因此，多采用B酸中心活化反应物分子。 例：AlCl3(L酸)催化剂常与HCl、H2O等一起作用使L酸中心 转化为B酸中心。,正炭离子的形成,四、酸碱催化作用及其催化机理,2. 多相酸碱催化反应机理,对于不同的酸催化反应常常要求不同类型的酸中心(L酸中心或B酸中心)： 乙醇脱水

20、制乙烯反应，用g-Al2O3为催化剂时，其中的L酸起主要作用， 异丙苯裂解反应，则要有B酸中心存在， 烷烃裂化反应，则要L酸B酸兼备。,酸中心类型与催化活性、选择性关系,四、酸碱催化作用及其催化机理,2. 多相酸碱催化反应机理,酸强度与催化活性、选择性关系,四、酸碱催化作用及其催化机理,2. 多相酸碱催化反应机理,酸浓度与催化活性的关系,在一定酸强度范围内，催化剂的酸浓度与催化活性有很好的对应关系。 如各种金属磷酸盐在不同温度下处理，可得到酸强度在-3Ho1.5范围内的不同酸浓度的催化剂，用它们在225下进行异丙醇脱水反应，脱水转化率与催化剂酸浓度呈线性关系。,四、酸碱催化作用及其催化机理,2

21、. 多相酸碱催化反应机理,五、几种典型催化剂及其催化作用,超强酸 固体表面酸强度大于100%硫酸 Ho 26 固体超强碱多为碱土金属氧化物，或碱土金属与碱金属的复合氧化物。,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,超强酸,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,超强碱,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,以SO42促进的SO42/ZrO2, SO42/TiO2, SO42/Fe3O4 以金属氧化物WO3、MoO3、B2O3作为负载物，负载在载体上形成的超强酸。,超强酸的主要形式,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,

22、原因有三： 1.表面上促进剂SO42的流失； 2.表面上吸附、脱附及表面反应或积碳的发生； 3.超强酸的中毒。,超强酸的失活,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,表面上促进剂SO42的容易流失而导致催化剂的失活，一般通过对载体改性来改善固体超强酸的性能。 1.其他金属或金属氧化物改性：金属氧化物的电负性和配位数对与促进剂形成的配位结构有深刻的影响。 2.稀土元素改性：稀土元素的引入能提高固体酸的性能，往往能稳定促进剂，使之不易流失。 3.纳米技术改性：以纳米氧化物为载体，往往具有高的表面原子密度和比表面，显示出独特的性质。 4.分子筛改性：将超强酸负载在分子筛上，

23、使之同时具有分子筛与超强酸的特性，使固体超强酸的工业应用前景更加广泛。,超强酸的改性,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,异构化反应 烷基化反应 酰基化反应 烷基芳烃的烷基转移反应 烯烃水合反应 甲醇转化为烃类的反应 脱水反应 脱卤化氢反应 齐聚和聚合反应,酯化反应 水解反应 催化裂化 加氢裂化(氢解) 催化重整 加氢反应 服氢反应 氧化反应 其它反应,典型的催化应用,五、几种典型催化剂及其催化作用,1. 超强酸和超强碱及其催化作用,杂多化合物是指杂多酸及其盐类。杂多酸是由杂原子(如：P、Si、Fe、Co)和配位原子(即多原子如：Mo、W、V、Nb、Ta)按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸，其兼具酸碱性和氧化还原性。 杂多化合物催化剂作为固体酸催化剂的特点： 1.可以通过杂多酸组成原子的改变来调变其酸性和氧化还原性。 2.一些杂多酸化合物表现出准液相行为，因而具有一些特性。 3.结构确定，兼具一般配合物和金属氧化物的主要结构特征，热稳定性较好，且在低温下