催化劑研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

摘 要：在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)過(guò)程中，特別是石油及化工工藝過(guò)程，催化作用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)公民的健康以及環(huán)境污染的減少產(chǎn)生了重要作用，并依靠催化作用生產(chǎn)出眾多的化學(xué)品與化學(xué)材料。因此催化劑廣泛應(yīng)用于各化工生產(chǎn)領(lǐng)域，為化工生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。本文從催化劑的特征、組成結(jié)構(gòu)、分類(lèi)及應(yīng)用來(lái)介紹催化劑。

關(guān)鍵詞：催化劑；催化作用；特征；組成結(jié)構(gòu)；分類(lèi)；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.047

通常研究一個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系時(shí)，要考慮化學(xué)反應(yīng)是否能夠進(jìn)行以及化學(xué)反應(yīng)所進(jìn)行的程度。從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行考慮，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是否能夠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，必須要保證有較高的產(chǎn)率以及較快的反應(yīng)速率，只有這樣才能降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源以及減少能耗，催化劑的催化作用恰恰能夠提高反應(yīng)的選擇性，縮短到達(dá)反應(yīng)的平衡時(shí)間。作為推動(dòng)化學(xué)工業(yè)以及石油工業(yè)的核心，催化劑及其催化作用在各高新領(lǐng)域面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇。

1 催化劑的特征

催化劑通常具有四個(gè)基本特征：催化劑能夠改變反應(yīng)歷程進(jìn)而加快熱力學(xué)允許的反應(yīng)速率，只有熱力學(xué)允許并且具有較大的平衡常數(shù)的反應(yīng)，催化劑才能產(chǎn)生作用；催化劑能夠同時(shí)加快正逆反應(yīng)的反應(yīng)速率，使反應(yīng)盡快達(dá)到平衡；催化劑對(duì)反應(yīng)具有較高的選擇性，當(dāng)反應(yīng)朝著不同的方向進(jìn)行時(shí)，催化劑可以使反應(yīng)朝著生成目的產(chǎn)物的方向進(jìn)行，提高反應(yīng)的選擇性與收率；催化劑具有特定的使用壽命，有的反應(yīng)體系中含有雜質(zhì)從而引起催化劑中毒，活性部位與化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，最終導(dǎo)致催化劑失去活性。

2 催化劑的組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)過(guò)程中普遍使用固體催化劑，且大多為多組元固體催化劑，多組元催化劑是由多種組分結(jié)合而成的混合體，并根據(jù)各種組分所產(chǎn)生的作用將催化劑分成三個(gè)部分：主催化劑是催化劑的活性組分，缺少主催化劑就無(wú)法完成催化作用；助催化劑在催化劑中的含量很少，其本身沒(méi)有催化活性，其作用通常為抑制副反應(yīng)的反應(yīng)活性；載體能夠改變主催化劑的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，對(duì)主催化劑起到良好的分散、黏合與支撐作用。

固體催化劑具有一定的外形與結(jié)構(gòu)，而催化劑結(jié)構(gòu)的不同主要在于晶相結(jié)構(gòu)與孔結(jié)構(gòu)的不同。催化劑包括三個(gè)級(jí)別的粒子構(gòu)成：初級(jí)粒子、次級(jí)粒子與催化劑顆粒，也可根據(jù)孔半徑的大小分為微孔、中孔和大孔，微孔孔徑小于1nm，中孔孔徑為1-25nm，大孔孔徑大于25nm。

3 催化劑的分類(lèi)及應(yīng)用

3.1 酸堿催化劑

酸堿催化劑主要為主族元素的氧化物、酸、堿和鹽，其對(duì)質(zhì)子或電子對(duì)的親和力決定了酸堿催化作用，由于在反應(yīng)過(guò)程中電子成對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而給出或得到一對(duì)電子，在液相中催化劑釋放出氫氧根離子或氫離子，從而進(jìn)行催化反應(yīng)。

酸堿催化劑主要用于酸堿型機(jī)理的催化反應(yīng)，目前酸堿催化劑廣泛應(yīng)用于石油化工與石油煉制等工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是沸石分子篩因具有高效率與低污染的優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替了具有強(qiáng)腐蝕性與高污染的液體催化劑，促進(jìn)了石油工業(yè)催化技術(shù)的快速發(fā)展。

3.2 金屬催化劑

金屬催化劑主要為過(guò)渡金屬元素，活性組分為純金屬或合金，金屬以晶體的形式存在。過(guò)渡金屬元素最外層或次外層軌道未被電子填滿，最外層含有1-2個(gè)s電子，次外層含有1-10個(gè)d電子，因此能級(jí)中的未成對(duì)電子可使催化劑表面發(fā)生物理吸附與化學(xué)吸附，活化吸附分子從而完成催化作用。

過(guò)渡金屬易將物質(zhì)吸附在金屬表面，對(duì)含氫與烴的反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化作用，但輕金屬在反應(yīng)條件下易被氧化，不適用于氧化反應(yīng)。工業(yè)上金屬催化劑常用于烴類(lèi)加氫、脫氫及氧化反應(yīng)，還用于氨的合成、費(fèi)-托合成反應(yīng)。

3.3 過(guò)渡金屬氧化物催化劑

過(guò)渡金屬氧化物催化劑主要為過(guò)渡金屬元素氧化物，且活性組分大多由兩種及兩種以上氧化物組成，催化過(guò)程進(jìn)行中d電子層易失去或得到電子，催化劑從反應(yīng)物分子給出電子或得到電子，表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化還原性能，從而完成催化作用。

過(guò)渡金屬氧化物催化劑對(duì)氧具有較強(qiáng)的親和力，可作為氧化反應(yīng)的催化劑，但不宜作為加氫反應(yīng)催化劑，因其可能被還原成金屬。工業(yè)上過(guò)渡金屬氧化物催化劑常用于氨氧化、氧化脫氫、選擇氧化及氧化等反應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

催化劑及其催化作用能夠明顯降低生產(chǎn)成本，減少能源消耗，化學(xué)物質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)幾乎離不開(kāi)催化劑的作用。目前催化劑廣泛應(yīng)用于石油煉制、石油化工、精細(xì)化工、合成材料、基礎(chǔ)無(wú)機(jī)化工及生物催化，尤其在日益發(fā)展的今天，環(huán)境污染受到國(guó)家與社會(huì)重視，催化劑為環(huán)境催化提供了可能，它能夠?qū)崿F(xiàn)污染物的轉(zhuǎn)化和減少污染排放，節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境。作為眾多化學(xué)過(guò)程的核心及技術(shù)中心點(diǎn)，催化劑以及催化過(guò)程的開(kāi)發(fā)將會(huì)成為諸多行業(yè)的重要推動(dòng)力量，相信我國(guó)催化劑及其催化作用的研究與發(fā)展能夠領(lǐng)先于世界水平。

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作者簡(jiǎn)介：孫久義（1998-），男，山東濟(jì)寧人，學(xué)士在讀，主要從事化學(xué)工程相關(guān)研究。