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1绪论1

1.1催化科学的形成及其特点1

1.2工业催化的发展历史2

1.2.1工业催化的萌芽期2

1.2.2工业催化的发展期3

1.2.3工业催化的成熟期4

1.3新型催化技术5

1.3.1纳米催化技术5

1.3.2生物催化技术6

1.3.3手性催化技术7

1.4催化在冶金工业中的应用8

1.5工业催化未来的发展8

1.6学习课程的意义及课程内容9

思考题10

2催化反应与催化剂11

2.1催化反应的定义与催化剂的特征11

2.1.1催化反应的定义11

2.1.2催化剂的特征12

2.2催化剂的组成与性能要求15

2.2.1催化剂的组成15

2.2.2载体的功能19

2.3工业催化剂的要求20

2.3.1活性20

2.3.2选择性21

2.3.3稳定性或寿命24

2.4催化体系的分类25

2.4.1按催化反应体系物相分类25

2.4.2按催化作用机理分类26

2.4.3按催化反应类别分类27

2.5催化反应的热力学27

2.5.1热力学第一定律27

2.5.2热力学第二定律28

2.5.3反应物和产物的热力学参数的计算29

2.6催化反应的动力学30

2.6.1反应速率的表示法30

2.6.2单分子反应动力学31

思考题33

3催化剂表面的吸附作用34

3.1催化剂表面结构34

3.1.1晶格与晶胞34

3.1.2晶面及晶面指数34

3.1.3多相催化的步骤38

3.2催化剂的物理吸附与化学吸附40

3.2.1物理吸附与化学吸附41

3.2.2吸附位能曲线41

3.2.3吸附在催化中的应用43

3.3化学吸附类型和化学吸附态44

3.3.1活化吸附与非活化吸附44

3.3.2均匀吸附与非均匀吸附45

3.3.3解离吸附与缔合吸附45

3.3.4吸附态和吸附化学键45

3.4吸附平衡与等温方程50

3.4.1吸附等温线50

3.4.2吉布斯 吸附等温线的分类51

3.4.3兰缪尔 吸附等温方程53

3.4.4弗伦德利希 吸附等温式54

3.4.5乔姆金 吸附等温式55

3.4.6 BET吸附等温式55

3.5催化剂的宏观结构57

3.5.1催化剂的表面积57

3.5.2催化剂的密度58

3.5.3催化剂的平均孔半径59

思考题60

4固体酸碱催化剂及其作用机理61

4.1固体酸、碱的定义和分类61

4.1.1酸碱的定义与分类61

4.1.2固体酸碱的定义62

4.1.3固体酸碱的分类63

4.2固体酸、碱中心的形成与结构65

4.2.1无机酸的酸中心65

4.2.2金属盐的酸中心65

4.2.3阳离子交换树脂的酸中心66

4.2.4金属氧化物的酸碱中心67

4.2.5二元混合金属氧化物酸中心的形成67

4.2.6杂多酸化合物酸中心的形成68

4.3固体表面的酸性质及其测定69

4.3.1酸位的类型及其鉴定69

4.3.2酸中心的强度70

4.3.3酸中心的浓度72

4.4超强酸73

4.4.1固体超强酸分类74

4.4.2 MxOy型固体超强酸75

4.4.3负载金属氧化物的固体超强酸76

4.4.4固体超强酸在石油化工中的应用76

4.5酸碱催化作用机理78

4.5.1均相酸碱催化78

4.5.2多相酸碱催化79

4.5.3酸位的性质与催化作用的关系82

4.5.4酸中心类型与催化活性、选择性的关系82

4.5.5酸中心强度与催化活性、选择性的关系83

4.5.6酸浓度与催化活性的关系84

4.6固体酸催化剂工业应用84

4.6.1石油裂解84

4.6.2杂多酸化合物及其催化作用85

4.6.3离子交换树脂催化及其催化作用87

思考题90

5金属催化剂及其作用机理91

5.1金属催化剂的分类与特征91

5.2金属催化剂表面上的化学吸附及其应用93

5.2.1金属的电子组态与气体吸附能力间的关系93

5.2.2金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系95

5.3金属催化剂电子结构与催化作用的关系97

5.3.1能带理论97

5.3.2价键理论100

5.3.3配位场理论101

5.4金属表面几何因素与催化活性102

5.4.1原子间距102

5.4.2晶格结构102

5.4.3金属催化剂催化活性的经验规则104

5.5负载型金属催化剂的催化活性105

5.5.1金属分散度与催化活性的关系105

5.5.2金属分散度的测定106

5.5.3金属催化反应的结构敏感行为108

5.5.4金属与载体之间的相互作用109

5.5.5金属与载体之间的溢流现象110

5.5.6金属与载体之间的调变111

5.5.7负载型金属催化剂的应用112

5.6合金催化剂及其催化作用114

5.6.1合金的分类114

5.6.2合金催化剂的类型及其催化特征115

5.6.3合金的表面富集116

5.6.4合金的电子效应与催化作用关系116

5.7合金催化剂的研究进展——非晶态合金118

5.7.1非晶态合金催化剂的特征118

5.7.2非晶态合金催化剂的研发热点118

思考题119

6分子筛结构及其催化作用120

6.1分子筛的结构构型120

6.1.1分子筛的结构单元121

6.1.2分子筛的骨架结构124

6.2分子筛的生成机理126

6.2.1固相转变机理126

6.2.2液相转变机理126

6.2.3双相转变机理127

6.3分子筛催化剂的择形催化作用128

6.3.1反应物择形性129

6.3.2产物择形性129

6.3.3约束过渡态择形性130

6.3.4分子穿行控制131

6.4分子筛催化剂的催化性能调变132

6.5分子筛催化剂的制备133

6.5.1分子筛催化剂的合成方法133

6.5.2常用分子筛的制备136

6.6介孔分子筛催化剂及其催化应用136

6.6.1介孔分子筛的合成136

6.6.2介孔分子筛的合成机理研究138

6.6.3介孔分子筛的改性141

6.6.4介孔分子筛的催化应用142

思考题144

7燃料工业催化技术与环境友好催化技术145

7.1当前能源的结构及存在的问题145

7.2资源和环境对能源开发的制约146

7.3氢能与“氢经济”147

7.3.1氢的性质及特点147

7.3.2氢的生产、储存和运输148

7.3.3粉末半导体对水的光催化分解制氢150

7.4燃料电池151

7.4.1燃料电池的工作原理151

7.4.2燃料电池的类型153

7.4.3燃料电池的应用前景154

7.4.4燃料电池使用的催化剂155

7.5环境友好的催化技术156

7.5.1环保催化156

7.5.2化学传感器160

7.5.3家电用催化剂162

思考题164

8工业催化中的冶金技术及其应用165

8.1尾气净化催化装置中铂族金属的回收165

8.1.1火法过程165

8.1.2湿法过程167

8.1.3加压高温氰化168

8.2硝酸催化氧化氯化物浸出黄铜矿169

8.2.1浸出过程化学反应原理169

8.2.2氧化反应动力学原理169

8.3金铜精矿中性催化加压浸出预处理工艺170

8.3.1中性催化加压浸出原理170

8.3.2金铜精矿催化加压浸出机理170

8.3.3催化条件对加压浸出的影响170

8.4新催化技术在冶金工业的应用174

8.4.1利用粉体纳米晶化促进低温冶金反应174

8.4.2湿法冶锌新浸取技术及其进展175

8.4.3冶金工业废水、废气处理中的催化技术176

8.5生物催化浸出技术在铜工业中的应用178

8.5.1生物催化浸出铜技术发展概况178

8.5.2生物催化浸出过程中的细菌178

8.5.3生物催化浸出过程中作用机理179

思考题180

9工业催化剂的制备181

9.1沉淀法181

9.1.1沉淀法类型181

9.1.2典型沉淀法生产工艺182

9.1.3沉淀物和沉淀剂的选择182

9.1.4影响沉淀的因素184

9.1.5沉淀法类型186

9.1.6沉淀的后处理过程188

9.2浸渍法189

9.2.1浸渍法工艺190

9.2.2浸渍法分类191

9.2.3影响浸渍法的因素192

9.3共混合法193

9.4熔融法194

9.5溶胶-凝胶法195

9.5.1溶胶-凝胶法的优缺点195

9.5.2基本原理196

9.5.3溶胶-凝胶法的过程196

9.6催化剂制备新技术199

9.6.1微乳液技术199

9.6.2超临界技术204

9.6.3等离子技术205

9.6.4微波技术206

思考题208

10工业催化剂的设计209

10.1催化剂设计的程序和总体考虑209

10.2催化剂主要组分的设计211

10.2.1基于催化反应经验规则的主组分设计212

10.2.2基于反应物分子活化模式的主组分设计213

10.3助催化剂的选择与设计215

10.3.1助催化剂的种类与功能215

10.3.2助催化剂的设计216

10.4催化剂载体的选择与设计218

10.4.1催化剂载体的作用和种类218

10.4.2选择载体的原则和依据221

10.5工业催化剂宏观结构的设计与控制222

10.5.1催化剂颗粒的形状和大小的设计与控制223

10.5.2催化剂的比表面和孔结构的设计225

10.5.3催化剂机械强度的设计227

10.5.4催化剂活性组分分散度的设计227

10.6计算机辅助催化剂设计228

10.6.1计算机辅助催化剂分子设计的判据228

10.6.2计算机辅助催化剂分子设计的程序229

10.6.3计算机辅助催化剂分子设计举例232

思考题234

11催化剂性能的评价、测试235

11.1催化剂活性测试的基本概念235

11.1.1活性测试的目标235

11.1.2实验室活性测试反应器的类型及应用236

11.1.3催化剂活性测定评价方法240

11.2催化剂宏观物性的测定242

11.2.1颗粒直径及粒径分布243

11.2.2机械强度测定244

11.2.3催化剂的热性质244

11.2.4催化剂比表面积和孔结构的测定245

11.3催化剂抗毒性能的评价250

11.4工业催化剂的失活251

11.4.1影响催化剂寿命的因素251

11.4.2催化剂寿命的测试252

11.4.3催化剂的中毒与烧结252

11.4.4催化剂失活的控制254

11.5工业催化剂的再生256

11.6工业催化剂的使用258

11.6.1催化剂的运输和装填258

11.6.2开、停车及钝化259

思考题260

12工业催化剂的表征261

12.1 X射线衍射技术261

12.1.1基本原理261

12.1.2 XRD的物相分析262

12.1.3 XRD在催化剂研究中的应用262

12.2分子光谱技术263

12.2.1红外光谱技术263

12.2.2拉曼光谱技术265

12.3热分析技术267

12.3.1热重分析法267

12.3.2差热分析法268

12.3.3差示扫描量热法268

12.3.4热分析法在催化剂研究中的应用269

12.4电子能谱技术269

12.4.1 X射线光电子能谱270

12.4.2紫外光电子能谱271

12.4.3俄歇电子能谱272

12.5共振谱技术273

12.5.1核磁共振技术273

12.5.2电子顺磁共振技术276

12.6电子显微技术277

12.6.1扫描电子显微镜277

12.6.2透射电子显微镜278

12.6.3扫描隧道显微镜279

12.6.4原子力显微镜280

12.7原位技术281

思考题282

参考文献283