《现代生物工程技术导论》课程论文论文名称：催化剂的作用机理的探究,制备和前景姓名：熊威学号： 0910440219 专业：化工班级： 09-2 指导老师：张玉秀完成时间： 2012.10.15一.思路来源：1.催化剂的重要性：催化剂的加入，能按人的意愿控制反应的快慢，产物的生成和反应的终点，因此可以提高效率效益，节约能源，保护环境，对可持续发展有着战略意义。

2.催化剂的制备特点：由于反应的多样性和催化剂的专一性，目前我所能知道的催化剂的制备工艺很复杂，表现在（1）反应多样性决定催化剂的分类：均相催化剂均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂。

多相催化剂多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等。

生物催化剂生物催化剂主要就是一些生物酶如α-淀粉酶、纤维素酶等。

（2）制备方法：机械混合法沉淀法浸渍法喷雾蒸干法热熔融法浸溶法离子交换法和发展中的新方法此处可以想见各种催化剂的分类与反应物和生成物的物态和条件有关，不明白的是，各种方法细节关注那些物理和化学性质，各个浅谈。

机械混合法将两种以上的物质加入混合设备内混合。

此法简单易行，例如转化-吸收型脱硫剂的制造，是将活性组分（如二氧化锰、氧化锌、碳酸锌）与少量粘结剂(如氧化镁、氧化钙)的粉料计量连续加入一个可调节转速和倾斜度的转盘中，同时喷入计量的水。

粉料滚动混合粘结，形成均匀直径的球体，此球体再经干燥、焙烧即为成品。

乙苯脱氢制苯乙烯的Fe-Cr-K-O催化剂，是由氧化铁、铬酸钾等固体粉末混合压片成型、焙烧制成的。

利用此法时应重视粉料的粒度和物理性质。

沉淀法此法用于制造要求分散度高并含有一种或多种金属氧化物的催化剂。

在制造多组分催化剂时，适宜的沉淀条件对于保证产物组成的均匀性和制造优质催化剂非常重要。

通常的方法是在一种或多种金属盐溶液中加入沉淀剂（如碳酸钠、氢氧化钙），经沉淀、洗涤、过滤、干燥、成型、焙烧(或活化)，即得最终产品。

如果在沉淀桶内放入不溶物质（如硅藻土），使金属氧化物或碳酸盐附着在此不溶物质上沉淀，则称为附着沉淀法。

沉淀法需要高效的过滤洗涤设备，以节约水，避免漏料损失。

浸渍法将具有高孔隙率的载体（如硅藻土、氧化铝、活性炭等）浸入含有一种或多种金属离子的溶液中，保持一定的温度，溶液进入载体的孔隙中。

将载体沥干，经干燥、煅烧，载体内表面上即附着一层所需的固态金属氧化物或其盐类。

浸渍法可使催化活性组分高度分散，并均匀分布在载体表面上，在催化过程中得到充分利用。

制备含贵金属（如铂、金、锇、铱等）的催化剂常用此法，其金属含量通常在1%以下。

制备价格较贵的镍系、钴系催化剂也常用此法，其所用载体多数已成型，故载体的形状即催化剂的形状。

另有一种方法是将球状载体装入可调速的转鼓内，然后喷入含活性组分的溶液或浆料，使之浸入载体中，或涂覆于载体表面。

喷雾蒸干法用于制颗粒直径为数十微米至数百微米的流化床用催化剂。

如间二甲苯流化床氨化氧化制间二甲腈催化剂的制造，先将给定浓度和体积的偏钒酸盐和铬盐水溶液充分混合，再与定量新制的硅凝胶混合，泵入喷雾干燥器内，经喷头雾化后，水分在热气流作用下蒸干，物料形成微球催化剂，从喷雾干燥器底部连续引出。

热熔融法热熔融法是制备某些催化剂的特殊方法，适用于少数不得不经过熔炼过程的催化剂，为的是借助高温条件将各个组分熔炼称为均匀分布的混合物，配合必要的后续加工，可制得性能优异的催化剂。

这类催化剂常有高的强度、活性、热稳定性和很长的使用寿命。

主要用于制造氨合成所用的铁催化剂。

将精选磁铁矿与有关的原料在高温下熔融、冷却、破碎、筛分，然后在反应器中还原。

浸溶法从多组分体系中，用适当的液态药剂（或水）抽去部分物质，制成具有多孔结构的催化剂。

例如骨架镍催化剂的制造，将定量的镍和铝在电炉内熔融，熔料冷却后成为合金。

将合金破碎成小颗粒，用氢氧化钠水溶液浸泡，大部分铝被溶出（生成偏铝酸钠），即形成多孔的高活性骨架镍。

离子交换法某些晶体物质（如合成沸石分子筛）的金属阳离子（如Na）可与其他阳离子交换。

将其投入含有其他金属（如稀土族元素和某些贵金属）离子的溶液中，在控制的浓度、温度、pH条件下，使其他金属离子与Na进行交换。

由于离子交换反应发生在交换剂表面，可使贵金属铂、钯等以原子状态分散在有限的交换基团上，从而得到充分利用。

此法常用于制备裂化催化剂，如稀土-分子筛催化剂。

发展中的新方法①化学键合法。

近十年来此法大量用于制造聚合催化剂。

其目的是使均相催化剂固态化。

能与过渡金属络合物化学键合的载体，表面有某些官能团(或经化学处理后接上官能团)，如-X、-CH2X、-OH基团。

将这类载体与膦、胂或胺反应，使之膦化、胂化或胺化，然后利用表面上磷、砷或氮原子的孤电子对与过渡金属络合物中心金属离子进行配位络合，即可制得化学键合的固相催化剂，如丙烯本体液相聚合用的载体──齐格勒－纳塔催化剂的制造。

②纤维化法。

用于含贵金属的载体催化剂的制造。

如将硼硅酸盐拉制成玻璃纤维丝，用浓盐酸溶液腐蚀，变成多孔玻璃纤维载体，再用氯铂酸溶液浸渍，使其载以铂组分。

根据实用情况，将纤维催化剂压制成各种形状和所需的紧密程度，如用于汽车排气氧化的催化剂，可压紧在一个短的圆管内。

如果不是氧化过程，也可用碳纤维。

纤维催化剂的制造工艺较复杂，成本高。

（3）实际催化剂的制备特点：即使成分，配比，反应条件等控制相同，催化剂的性能很可能不同，甚至有副作用。

3．生物酶的催化特点：物质代谢中绝大部分化学反应是在细胞内由酶促成，而且具有高度自动调节控制能力。

这是生物的重要特点之一。

一个小小的活细胞内，几近两千种酶，在同一时间内，催化各种不同代谢中各自特有的化学反应。

这些化学反应互不妨碍，互不干扰，各自有条不紊地以惊人的速度进行着，而且还互相配合。

结果，不论是合成代谢还是分解代谢，总是同时进行到恰到好处。

以蛋白质为例，用人工合成，即使有众多高深造诣的化学家，在设备完善的实验室里，也需要数月以至数年，或能合成一种蛋白质。

然而在一个活细胞里，在37℃及近于中性的环境中，一个蛋白质分子只需几秒钟，即能合成，而且有成百上千个不相同的蛋白质分子，几乎像在同一个反应瓶中那样，同时在进行合成，而且合成的速度和量，都正好合乎生物体的需要。

这表明，生物体内的物质代谢必定有尽善尽美的安排和一个调节控制系统。

4.对生物酶催化特性的分析：功能来源于结构，它们的催化活性与其分子的活性中心的结构有着密切关系，同时，其特异性与其作用物的结构密切相关；而一种变构酶的活性，在某种情况下，还与其所催化的代谢途径的终末产物的结构有关。

很自然想到下一步探究其结构，我们了解到蛋白质分子的结构分4个层次，其中二级和三级结构间还可有超二级结构，三、四级结构之间可有结构域。

一级结构：氨基酸排列顺序。

二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。

二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角。

常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。

二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持的，氢键是稳定二级结构的主要作用力。

三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。

三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。

指一条多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕，折叠，从而产生特定的空间结构。

三级结构主要是靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用，氢键，范德华力和静电作用维持的。

四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链，才能全面地执行功能。

每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布，并以非共价键相链接，这种蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。

超二级结构：二级结构单元相互聚集，形成更高一级的有规律的结构标准折叠单位或折叠花式。

结构域是个较紧密的具有特殊功能的区域，连结各结构域之间的肽链有一定的活动余地，允许各结构域之间有某种程度的相对运动。

蛋白质的侧链更是无时无刻不在快速运动之中。

蛋白质分子内部的运动性是它们执行各种功能的重要基础。

催化剂的制备方法主要就是分散度的增大，表面积增大，对催化剂表明的具体结构没有具体控制，但生物催化剂蛋白质的空间结构至关重要，想到一般催化剂不容易像生物催化剂那样多种酶组成系统，协同作用，当然有简单的配合，但对具体结构的形成，一般物化方法没有可控性，故一般催化剂的制备复现性差，达不到精细层次。

此处技术关键是对于特定反应，一个表面结构可控的源催化剂诱导后续能形成可控表面结构的主催化剂的制备。

这还有待发掘。

解决复现性差的关键在于弄清楚催化剂的表面结构，这个用扫描隧道显微镜（STM）可以精确解决，到原子层面，其原理就是隧道效应，就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。

一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。

当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。

电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。

在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

5、催化剂前景预测：通过上面分析，催化剂前景应该是，催化高效，精细，目标性，重现性等良好的，且环保的。

目前，比较有前景的是纳米催化剂和稀土催化剂，因为更精细，但没有本质上的突破，上面技术瓶颈的突破，未来真正意义的催化剂研发，还得靠大家。