中科院研究生課件《催化道理》目錄contents催化基本概念與原理均相催化反應體系多相催化反應體系酶催化與仿生催化光催化和電催化過程催化劑制備方法與表征技術催化反應工程實踐01催化基本概念與原理催化劑能夠改變化學反應速率，而自身在反應前后不發生改變的作用。催化作用定義根據催化作用的不同方式，可分為均相催化和非均相催化兩大類。催化作用分類催化作用定義及分類催化劑通常由活性組分、助劑和載體等組成。催化劑具有特定的物理和化學性質，如高比表面積、多孔性、吸附性和催化活性等。催化劑組成與性質催化劑性質催化劑組成反應機理催化反應遵循一定的反應歷程，包括反應物吸附、表面反應和產物脫附等步驟。動力學研究催化反應的動力學研究可以揭示反應速率與反應條件之間的關系，為催化劑設計和優化提供依據。反應機理與動力學催化劑活性是指催化劑對反應物分子的活化能力，通常用單位時間內單位催化劑上反應物的轉化率來表示。催化劑活性催化劑選擇性是指催化劑在促進某一化學反應時，對不同反應方向的促進作用不同，使得某一方向的反應速率加快，而其他方向的反應速率相對減慢。催化劑選擇性催化劑穩定性是指催化劑在長期使用過程中保持其活性和選擇性的能力，包括熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性等。催化劑穩定性催化劑活性、選擇性和穩定性02均相催化反應體系均相催化是指催化劑和反應物處于同一相態（通常是液態）中的催化作用。定義特點應用領域反應物和催化劑分子間接觸充分，反應速率快，但催化劑分離和回收困難。廣泛應用于有機合成、石油化工、藥物合成等領域。030201均相催化概述

酸堿催化反應酸催化通過提供質子或接受電子對來促進反應的進行，常見的酸催化劑包括硫酸、磷酸、酸性離子交換樹脂等。堿催化通過提供電子對或接受質子來促進反應的進行，常見的堿催化劑包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、堿性離子交換樹脂等。酸堿共同催化在某些反應中，酸和堿可以協同作用，共同促進反應的進行。配位催化是指催化劑通過與反應物分子形成配位鍵來活化反應物分子，降低反應活化能，從而促進反應的進行。配位催化概述金屬離子與配體形成配合物，通過改變金屬離子的電子結構和立體構型來活化反應物分子。金屬配合物催化有機金屬化合物作為催化劑，通過金屬-碳鍵的形成和斷裂來活化反應物分子。有機金屬催化配位催化反應過渡金屬催化過渡金屬具有未填滿的d電子殼層，能夠參與多種氧化還原反應，是常見的氧化還原催化劑。氧化還原催化概述氧化還原催化是指催化劑通過參與氧化還原反應來促進反應的進行，通常涉及電子的轉移。酶催化酶作為生物催化劑，在生命體內發揮著重要的氧化還原催化作用，如細胞呼吸、光合作用等過程中的酶催化反應。氧化還原催化反應03多相催化反應體系定義與特點多相催化是反應物與催化劑處于不同物相的催化作用，具有反應條件溫和、催化劑易分離回收等優點。反應類型包括氧化、還原、氫化、脫氫、異構化、合成等多種類型。工業應用廣泛應用于石油化工、化學工業、環境保護等領域。多相催化概述包括過渡金屬、貴金屬等，如鐵、鈷、鎳、銅、銀、金等。金屬催化劑種類金屬催化劑通過提供活性中心，降低反應活化能，促進反應進行。同時，金屬催化劑的電子性質、晶體結構等也會影響催化效果。作用機制如合成氨、費托合成、加氫精制等。工業應用金屬催化劑及其作用機制包括氧化鋁、氧化硅、氧化鈦等，具有酸堿性和氧化還原性，廣泛應用于多種有機和無機反應。氧化物催化劑如硫化鈷、硫化鉬等，主要用于加氫脫硫、加氫脫氮等石油煉制過程。硫化物催化劑通過溶膠-凝膠法、沉淀法、浸漬法等制備催化劑，并通過摻雜、負載等改性方法提高催化性能。制備與改性氧化物和硫化物催化劑酸性催化酸性催化劑提供質子或空軌道，促進烴類裂解、異構化等反應進行。常見的酸性催化劑有分子篩、硫酸等。堿性催化堿性催化劑提供孤對電子，促進醛酮縮合、酯交換等反應進行。常見的堿性催化劑有氧化鈣、氫氧化鉀等。氧化還原性催化氧化還原性催化劑通過得失電子促進氧化還原反應進行。常見的氧化還原性催化劑有過渡金屬氧化物、貴金屬等。這些催化劑在合成氨、氧化脫氫等反應中具有廣泛應用。酸堿性和氧化還原性多相催化04酶催化與仿生催化酶催化基本原理及特點酶催化作用的高效性酶通過降低反應活化能，使反應在溫和條件下進行，且具有極高的催化效率。酶催化的專一性酶對底物具有嚴格的選擇性，只能催化特定的化學反應。酶催化的條件溫和性酶催化反應一般在常溫、常壓和近中性pH條件下進行，符合綠色化學的要求。123酶活性中心由結合基團和催化基團組成，其中結合基團負責與底物結合，催化基團則促進底物轉化為產物。酶活性中心的組成酶活性中心的空間結構高度特化，形成獨特的三維構象，以適應底物的結合和催化反應的需要。酶活性中心的空間結構酶活性中心的微環境對催化反應具有重要影響，包括疏水性、靜電場和氫鍵等作用。酶活性中心的微環境酶活性中心結構和功能03仿生催化與計算化學的結合計算化學可為仿生催化提供理論指導和設計依據，促進催化劑的優化和篩選。01仿生催化的設計思路仿生催化旨在模擬酶的結構和功能，設計和合成具有高效、專一和條件溫和的人工催化劑。02仿生催化的應用仿生催化在有機合成、藥物制備、環境保護等領域具有廣泛的應用前景。仿生催化設計思路及應用人工模擬酶的發展歷程人工模擬酶經歷了從簡單模擬到復雜模擬、從單一功能到多功能的發展歷程。人工模擬酶的研究現狀目前，人工模擬酶在結構模擬、功能模擬和機理研究等方面取得了重要進展。人工模擬酶的未來展望未來，人工模擬酶將更加注重實用性和可持續性，致力于解決能源、環境和健康等領域的重大問題。人工模擬酶體系研究進展05光催化和電催化過程基本原理光催化是利用光能驅動催化劑促進化學反應的過程，通過吸收光子產生電子-空穴對，進而參與氧化還原反應。應用領域光催化技術廣泛應用于環境凈化、能源轉化、有機合成等領域，如光解水制氫、光催化降解有機污染物等。光催化基本原理及應用半導體材料具有特殊的能帶結構，能夠吸收特定波長的光并產生電子-空穴對，是實現光催化的關鍵材料。半導體特性常見的光催化半導體材料包括二氧化鈦、氧化鋅、硫化鎘等，它們具有不同的能帶位置和禁帶寬度，適用于不同的光催化反應。常見半導體材料半導體材料在光催化中作用電催化過程及機制電催化過程電催化是通過電極反應促進化學反應的過程，涉及電子在電極與反應物之間的轉移，可實現多種有機和無機反應。機制解析電催化機制包括直接電子轉移和間接電子轉移兩種類型，前者是反應物直接在電極表面得失電子，后者是通過電解質中的氧化還原媒介進行電子傳遞。燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，通過催化劑促進燃料（如氫氣、甲醇等）與氧氣在電極上的氧化還原反應，產生電流和熱能。燃料電池電解水是利用電能將水分解為氫氣和氧氣的過程，通過電催化劑降低分解反應的活化能，提高能源轉化效率。該技術是實現可再生能源轉化和儲存的重要手段之一。電解水技術燃料電池和電解水技術06催化劑制備方法與表征技術化學法包括共沉淀、溶膠-凝膠、化學氣相沉積等方法，通過化學反應在分子水平上實現活性組分與載體的結合。生物法利用微生物或酶等生物大分子的特殊功能，制備具有特定結構和性能的催化劑。物理法包括機械混合、沉淀、浸漬、離子交換等方法，主要利用物理作用將活性組分負載到載體上。催化劑制備方法分類將活性組分與載體機械混合，通過研磨、球磨等手段實現均勻分散。機械混合法沉淀法浸漬法離子交換法利用沉淀反應將活性組分負載到載體上，常用的沉淀劑包括氫氧化鈉、碳酸鈉等。將載體浸入含有活性組分的溶液中，通過吸附或化學反應使活性組分負載到載體上。利用離子交換原理，將載體上的可交換離子與活性組分進行交換，實現活性組分的負載。物理法制備技術化學法制備技術共沉淀法在含有多種金屬離子的溶液中加入沉淀劑，使金屬離子共同沉淀下來，形成具有特定結構和性能的催化劑。溶膠-凝膠法將金屬醇鹽或無機鹽溶于溶劑中形成溶膠，然后通過水解、縮合等化學反應形成凝膠，再經干燥、煅燒等處理得到催化劑。化學氣相沉積法利用氣相化學反應在載體表面沉積活性組分，形成具有特定結構和性能的催化劑。其他化學法包括水熱法、微波法、電化學法等，這些方法在特定條件下可以制備出具有特殊結構和性能的催化劑。0102X射線衍射技術（XRD）用于確定催化劑的物相組成和晶體結構。掃描電子顯微鏡（SEM…用于觀察催化劑的微觀形貌和顆粒大小。比表面積和孔徑分析通過氮氣吸附-脫附等溫線測定催化劑的比表面積和孔徑分布。X射線光電子能譜（XP…用于分析催化劑表面的元素組成和化學狀態。其他表征技術包括紅外光譜（IR）、拉曼光譜（Raman）、核磁共振（NMR）等，這些技術可以提供催化劑的結構、化學鍵合等信息。030405先進表征技術在催化劑研究中應用07催化反應工程實踐固定床反應器01適用于氣-固相催化反應，催化劑固定不動，氣體通過催化劑床層進行反應。設計要點包括催化劑的選型、床層高度和直徑的確定、氣體分布器的設計等。流化床反應器02適用于氣-固相催化反應，催化劑顆粒在氣流作用下呈流化狀態。設計要點包括流化速度的控制、催化劑的選用和再生、氣體分布和收集等。漿態床反應器03適用于液-固相催化反應，催化劑顆粒懸浮在液體中。設計要點包括攪拌方式的選擇、催化劑的懸浮和分離、傳熱和傳質等。工業催化反應器類型及設計要點失活原因催化劑失活的主要原因包括中毒、燒結、積碳、磨損等。其中，中毒是最常見的失活原因，催化劑活性中心被毒物占據導致活性下降。再生方法針對不同類型的失活原因，采取相應的再生方法。如中毒失活可采用氧化、還原、酸洗等方法進行再生；燒結失活可采用高溫處理或重新活化等方法進行再生。催化劑失活原因與再生方法工業廢氣治理針對工業廢氣中的有害物質，采用催化燃燒、催化氧化等技術進行處理，達到排放標準。廢水處理利用催化劑對廢水中的有機物進行氧化分解，提高廢水的可生化性，為后續生物處理創造有利條件。汽車尾氣凈化利用催化劑將汽車尾氣中的有害物質轉化為無害物質，減少尾氣排放對環境的污染。環境保護中催化技術應用利用納米材料的特殊性質，制備