1.1.5 基本有机合成工业用催化剂
基本有机合成工业：基于低分子有机化合 物的合成反应 存在反应速度慢及产物多的普遍规律 研究关键：寻找高活性和选择性的催化剂，以期工业化。
1.1.5 基本有机合成工业用催化剂举例
加氢, 苯→环己烷 — Raney Ni 脱氢，乙苯→苯乙烯 — Fe3O4(Cr,K氧化物)
90%以上的化工产品，80%化学工业过程（ 石油加工、传统化学工业、食品工业、建材 工业、精细化学品工业、环保产业等）是采 用催化过程来实现的。
催化剂的销售额在100多亿美元。与催化剂 相关的销售收入可达近千亿美元
催化剂是化工技术的核心
催化剂正日益广泛深入地渗透于
• 石油炼制工业 • 化学工业 • 高分子材料工业 • 生物化学工业 • 食品工业 • 医药工业 • 环境保护产业
单质 离子
催化剂举例 强阳性，Na 强阴性，I2,Cl2 中性，活性炭
Al2O3, AlCl3, BF3 H2SO4, H3PO4 Pt, Ni Ni2+,V5+
反应类别
供电子体（D） 受电子体（A） 电子供受体（D-A）
酸碱反应
酸碱反应
氧化还原反应
氧化还原反应,酸碱反应
1.2.3.4 按Cat.组成及功能
作为燃料电池燃料使用 •合成甲醛、二甲醚、醋酸、甲酸甲酯和碳酸二甲酯的原料
（二）合成甲醇Cat.（I）
•合成甲醇需要多种催化剂
•国内常用的催化剂
✓CuZn-Al(中低压法) ✓CuZn-Cr(高压法)
1.1.3催化剂与石油炼制及合成燃料工业
早期的石油炼制 — 蒸馏等物理方法为主 近代的石油炼制 —催化裂化、烷基化、加氢精制、加
1.1.1 催化剂——化学工业的基石
化学物质多达一千万种，大部分近20年发现合成 现化燃料工业和化学工业生产，80％以上采用催 化过程。 20世纪70年代末，全球Cat.销售额仅10亿美元； 1990年，达60亿美元。 世界生产Cat.的主要大型企业～100余家，主要分 布在欧美国家。
催化剂是化工技术的核心
1.2.3.3 按元素周期律
主族元素：单质电负性不大，反应性较大，很少作催化剂， 其化合物不具备氧化还原催化性质，具有酸－碱催化作用
副族：（过渡元素）易发生电子的传递过程。其单质或离 子具有较好的氧化还原、离子有时具有酸－碱催化
1.2.3.3 按元素周期律
元素类别 存在状态 主族元素 单质
化合物 含氧酸
均相反应（homogeneous catalysis reaction）：催化剂和 反应物形成均一相时，如：气相均相催化反应，液相均相 催化反应；
1.2.3.1 按聚集态
多相催化反应（非均相催化反应）（heterogenous catalysis reaction） 气－固多相催化反应，液－固多相催化反应，气－ 液－固三相反应
均相－多相催化反应”，如酶、固相化络合催化剂 等催化具均相－多相双重性质
这样的分类往往不能客观地反映出Cat.的作用本 质和内在联系。
1.2.3.2 根据化学键分类
化学键类 型
金属键
等极键
离子键
配位键
催化剂举例
过渡金属（Pt, Ni），活性炭
BPO，AIBN等引发剂燃烧过程中 形成的自由基
MnO2,醋酸锰，尖晶石
硫酸:化学工业之母，化工强弱标志 硝酸：炸药工业之母，工业和国防价值
硫酸生产
✓ 早期，NO2为催化剂，设备大，硫酸浓度低 ✓ 1918年，钒催化剂，活性高、抗毒性好、价格低，成本降低
硝酸生产
✓ 早期，浓硫酸分解硝石制取，成本高，生产能力小 ✓ 高温电弧法，氨和氧直接化合，能耗大 ✓ 1913年，Pt-Rh催化剂的开发，奠定硝酸现代生产方法
✓ 直接经济效益：1$ Cat.= $ 195 prod
催化剂是化工技术的核心(II)
• 间接经济效益
✓ 广辟自然资源，促进技术革新； ✓大幅度降低产品成本，提高产品质量；
✓ 合成出用其它方法不能得到的产品。 ✓ 保护大气、水源和土圵，防止环境污染 ✓ 有效治理废渣、废水和废气的污染
• 没有Cat.，就没有现代化学工业，Cat. 是化学工业的基石。
1.1.9 环境化学中Cat.应用
研究热点 催化脱硫、 烃类氧化催化剂 氮氧化物净化催化剂 汽车尾气净化三效催化剂 净化污水的酶催化剂
1.2 催化术语和基本概念
1.2.1 Cat.与催化作用
1836年，瑞典Berzelius提出Catalysis，认为催化剂破坏了 阻碍分子反应的正常力 1894年，德国W. Ostwald认为催化剂是一种加速反应而不 影响化学平衡的作用
3. Cat.只加速热力学上可能进行的化学反应 4. Cat.只改变化学反应速度，不改变化学平衡 位置 5. 催化剂不改变化学平衡，故对正方向有效的 催化剂，对反方向的反应也有效。 6. 寿命。
1.2.3 催化剂的分类
1.2.3.1 按聚集态：
液体（H3PO4）、固体（熔铁，MnO2）、气体（NO2）
催化技术、合成技术、分离提纯技术、测试技术等
1.1.8 生物化学工业中Cat.的应用
生化过程研究以活体细胞为催化剂，或由细胞提 取酶为催化剂的生物化学反应过程。 医药和农药工业 — 生产激素、抗生素、胰岛素等 高效药物、农药和细菌肥料等。 食品工业 — 生产发酵食品、调味品、饮料、有机 酸、氨基酸、甜味剂、等保健食品 能源工业—发酵产生甲烷、甲醇等能源。 冶金工业—细菌浸出法萃取金属。 化工原料生产——甲醇、乙醇、异丙醇等
丁烷→丁二烯 — Cr2O3/Al2O3 氧化，乙烯→环氧乙烷 — Ag/载体 氨氧化，丙烯→丙烯腈— 钼酸铋（U，Sb氧化物）
氯化（氧氯化），乙烯→氯乙烯 — CuCl2/Al2O3 羰化，制醛、醇，丙烯→丁醛 — 羰基钴等；
制醋酸，甲醇→醋酸 — Rh络合物。
1.1.6 三大合成材料工业用催化剂
• 关于光催化、电催化 • 自由基型聚合反应引发剂 • 阻抑链反应的添加物——阻聚剂 • 溶剂效应
1.2.2 Cat.的基本特性
1. R↑，活性，即加快化学反应速度的关键特性— —共性 2. S，选择性——特殊性和专用性
对反应类型的选择性 对反应方向的选择性 对产物结构的选择性
1.2.2 Cat.的基本特性
裂化催化剂 — 应用最广、产量最多的催化剂
1.1.3催化剂与石油炼制及合成燃料工业
预计石油约50年左右可开采 寻找能源天然气和煤 “石油以后”的时代，C1化学应运而生 含一个碳原子的化合物（甲烷、甲醇、CO、CO2、 HCN等）参与的化学反应。
1.1.4 基础无机化学工业用Cat.
基础无机化工产品 — “三酸两碱”为核心
1.1.2．典型事例
（一）合成氨Cat.
合成氨工艺重大历史意义
20世纪初Harber等开发出合成氨铁催化剂
N2+3H2
2NH3
CH4 + H2O
（天然气）
ΔH = -91.44 KJ/mol
3H2 + CO
CnHm + nH2O
（石油脑）
CO + H2O
（n+m/2）H2 + nCO
H2 + CO2
催化剂工程导论
Catalyst Engineering Introduction
工业催化剂概述
第一章 工业催化剂概述
➢重点
•催化若干术语 •基本概念
➢难点
•催化剂的化学组成 •催化剂物理结构
1.1 催化剂在国计民生中的作用
1 催化剂—化学工业的基石 2 合成氨及合成甲醇催化剂 3 催化剂与石油炼制及合成燃料工业 4 基础无机化学工业用催化剂 5 基本有机合成工业用催化剂 6 三大合成材料工业用催化剂 7 精细化工及专用化学品中的催化 8 催化剂在生物化学工业中的应用 9 催化剂在环境化学工业中的应用
IUPAC定义：P12 新定义：P13
1.2.1 Cat.与催化作用
假设循环：
R
催化剂
催化剂-R
P
催化反应循环图
R——反应物，P——产物 催化剂-R——反应物和催化剂反应合成的中间物种
1.2.1 Cat.与催化作用
• 工业催化剂是指一种化学品、生物物质或多种这 些物质组成的复杂体系，所起作用是化学方面的
1.1.7 精细化工及专用化学品
专用化学品:指专用性质较强,能满足用户对产品性 能要求、采用较高技术和中小型规模生产的高附 加值化学品或合成材料
精细化学品：指专用性不甚强的高附加值化学品
精细及专用化学品品种多，涉及多种反应，且一 种产品要涉及多步反应。
1.1.7 精细化工及专用化学品
精细化学品结构复杂→新技术，产品纯度要求高→确保质 量，合成工序多→提高效率，流程长→缩短流程，节约能 耗
国际知名的催化剂公司 (II)
• Engelhard 恩格尔哈德公司 • Akzo Nobel 阿克苏•诺贝尔公司 • Intercat 公司 • Dow Chemical 公司
催化剂是化工技术的核心(I)
•小产量、高附加产值的特殊精细化学品
✓1984年，US石油炼制和石油化工两大 类Cat.销售总额$13.3亿；两大类石油化 工产品销售总额$ 2590亿
三大合成材料—合成树脂与塑料、合成橡胶、合 成纤维 1953年,Ziegler-Natta型Cat.,化学工业中里程碑,聚 合物生产带来历史性飞跃. 乙烯→聚乙烯 100－300MPa→近常压 20世纪90年代，茂金属Cat.等新型聚烯烃催化剂 有更高活性和选择性 合成橡胶工业如丁苯橡胶等都需催化剂 合成纤维工业中，四大合成纤维生产都需催化剂
1.2.4 化学组成和物理结构
1.2.4.1 多相固体Cat.
目前石化工业使用比例最高的催化剂