催化劑基礎(chǔ)及應(yīng)用

前言

催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中具有重要的作用，從無機化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硝酸和硫酸等的生產(chǎn)；石油化工中的催化裂化、催化重整，精細化學(xué)品和三大合成材料等的生產(chǎn)；煤化工中的直接轉(zhuǎn)化和間接轉(zhuǎn)化；環(huán)境治理中固定源和移動源污染物的消除；再到目前正在大力開展的節(jié)能減排和與化學(xué)相關(guān)的新能源研究，都與催化劑密切相關(guān)。因此，催化劑和催化技術(shù)的研究與應(yīng)用，對國計民生也是至關(guān)重要的。 由于催化劑的廣泛應(yīng)用，除了催化專業(yè)的教師、學(xué)生和科技人員，越來越多的非催化專業(yè)人士也需要熟悉和掌握催化劑的相關(guān)知識。因此，本書從催化劑的基礎(chǔ)知識入手，簡要闡述了催化劑及其催化作用的基本原理，然后按催化反應(yīng)類型，分別介紹了酸堿催化劑、金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、均相催化劑、環(huán)境催化劑、生物催化劑和光催化劑的催化作用基礎(chǔ)和應(yīng)用，并且介紹了催化劑的常用制備方法及成型、催化劑的性能測定和結(jié)構(gòu)研究方法，最后簡單介紹了催化劑的設(shè)計和幾種新型催化材料。本書的目的是期望對催化專業(yè)的教師、學(xué)生和科技人員有所參考，同時對非催化專業(yè)的人士有所啟發(fā)，對全民普及科技專業(yè)知識有所幫助。 本書由北京化工大學(xué)季生福教授、北京石油化工學(xué)院張謙溫教授、西北大學(xué)趙彬俠教授共同編寫。書中第1、5、6、10～12章由季生福教授撰寫，第2～4、13章由張謙溫教授撰寫，第7～9章由趙彬俠教授撰寫，全書由季生福教授統(tǒng)稿。 本書力求內(nèi)容豐富、概念清晰，將催化劑基礎(chǔ)知識、催化作用原理和應(yīng)用實例相結(jié)合，以激發(fā)讀者的興趣，啟發(fā)讀者的思路。 由于編者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請同行專家和廣大讀者批評指正。 編者 2010年6月于北京

內(nèi)容概要

　　《催化劑基礎(chǔ)及應(yīng)用》全面地介紹了催化劑的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用。全書包括13章，第1～3章分別介紹了催化劑與催化作用的基礎(chǔ)知識，吸附作用與多相催化；第4～10章分別介紹了酸堿催化劑、金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、均相催化劑及催化作用，環(huán)境催化、生物催化、光催化的催化作用基礎(chǔ)及應(yīng)用；第11章介紹了催化劑的常用制備方法及成型；第12章介紹了催化劑的性能測定以及結(jié)構(gòu)研究方法；第13章介紹了催化劑的設(shè)計以及幾種新型催化材料?！　”緯勺鳛楦叩仍盒；瘜W(xué)、化工及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生教材，也可作為科研、工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論1 1.1催化劑及其催化作用1 1.2催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域2 1.3一些常用術(shù)語3 第2章 催化劑與催化作用的基礎(chǔ)知識7 2.1催化劑的特征7 2.2催化反應(yīng)和催化劑分類9 2.2.1催化作用的化學(xué)本質(zhì)9 2.2.2催化劑分類10 2.3固體催化劑的組成和結(jié)構(gòu)14 2.3.1催化劑的組成14 2.3.2催化劑的結(jié)構(gòu)16 2.4催化劑的性能和工業(yè)催化劑的基本要求19 2.4.1催化劑性能19 2.4.2工業(yè)催化劑的基本要求20 2.5多相催化反應(yīng)體系分析21 第3章 吸附作用與多相催化24 3.1物理吸附與化學(xué)吸附24 3.1.1物理吸附24 3.1.2化學(xué)吸附25 3.1.3物理吸附與化學(xué)吸附的差別26 3.1.4吸附位能曲線27 3.1.5吸附熱隨表面覆蓋度的變化28 3.1.6化學(xué)吸附強弱與催化活性的關(guān)系29 3.2化學(xué)吸附的類型和化學(xué)吸附態(tài)30 3.2.1化學(xué)吸附的類型30 3.2.2化學(xué)吸附態(tài)32 3.3吸附動力學(xué)34 3.3.1吸附和脫附速率的基本方程34 3.3.2吸附等溫線的各種模型35 3.3.3氣固吸附等溫線的類型39 3.4催化反應(yīng)動力學(xué)43 3.4.1反應(yīng)速率定義44 3.4.2符合Langmuir吸附模型的動力學(xué)方程44 第4章 酸堿催化劑及催化作用46 4.1酸堿催化劑的應(yīng)用和分類46 4.2酸堿的定義和酸堿催化活性中心的形成47 4.3固體酸的性質(zhì)48 4.4酸堿催化機理49 4.4.1酸中心的形成49 4.4.2酸堿催化作用機理53 4.5分子篩催化劑56 4.5.1分子篩的概念56 4.5.2分子篩的結(jié)構(gòu)特征56 4.5.3幾種具有代表性的分子篩58 4.5.4分子篩的催化作用機理60 4.6典型酸堿催化實例分析61 4.6.1催化裂化工藝簡介62 4.6.2催化裂化的反應(yīng)機理62 4.6.3催化裂化裝置的工藝流程64 第5章 金屬催化劑及催化作用66 5.1金屬催化劑的結(jié)構(gòu)66 5.1.1金屬(合金)的晶體結(jié)構(gòu)66 5.1.2金屬(合金)的電子結(jié)構(gòu)69 5.1.3金屬(合金)的表面結(jié)構(gòu)71 5.2金屬催化劑的特征和催化作用75 5.2.1金屬催化劑的特征75 5.2.2金屬催化劑的催化作用原理——多位理論75 5.2.3金屬催化劑的表面化學(xué)吸附態(tài)78 5.3負載型金屬催化劑82 5.3.1金屬粒徑與催化活性的關(guān)系82 5.3.2多功能催化劑的構(gòu)建83 5.3.3金屬與載體之間的相互作用83 5.3.4催化活性組分的遷移和燒結(jié)85 5.4金屬催化劑的應(yīng)用及實例分析85 5.4.1烴類加氫、脫氫反應(yīng)86 5.4.2烴類氧化反應(yīng)88 5.4.3氨的合成反應(yīng)88 5.4.4費托合成反應(yīng)89 第6章 金屬氧化物催化劑及催化作用92 6.1金屬氧化物的組成和結(jié)構(gòu)特性92 6.1.1金屬氧化物的成鍵92 6.1.2單一金屬氧化物93 6.1.3復(fù)合金屬氧化物93 6.1.4雜多酸復(fù)合氧化物97 6.2金屬氧化物催化劑的催化作用99 6.2.1金屬氧化物催化劑的催化作用機理100 6.2.2金屬氧化物催化劑的表面氧物種及其作用100 6.2.3金屬氧化物催化劑的酸堿性與催化性能的關(guān)系102 6.3金屬氧化物催化劑對反應(yīng)分子的吸附和活化104 6.3.1金屬氧化物催化劑對烴分子的吸附和活化104 6.3.2H2的吸附和反應(yīng)性106 6.3.3CO的吸附和反應(yīng)性106 6.3.4NO的吸附和反應(yīng)性107 6.4金屬氧化物催化劑的工業(yè)應(yīng)用實例107 6.4.1丙烯氧化制丙烯醛和丙烯酸107 6.4.2丙烯氨氧化制丙烯腈109 6.4.3異丁烯選擇性氧化制甲基丙烯酸110 6.4.4丁烯氧化脫氫制丁二烯111 6.4.5正丁烷選擇性氧化制順丁烯二酸酐111 第7章 均相催化劑及催化作用114 7.1均相絡(luò)合催化劑的應(yīng)用及其特征114 7.1.1均相絡(luò)合催化劑的應(yīng)用114 7.1.2均相絡(luò)合催化劑的特征115 7.2過渡金屬絡(luò)合物的化學(xué)成鍵作用116 7.2.1過渡金屬離子與絡(luò)合物的配位鍵合與絡(luò)合活化116 7.2.2絡(luò)合催化循環(huán)117 7.3絡(luò)合催化機理118 7.3.1配位取代或交換反應(yīng)118 7.3.2氧化加成和還原消除反應(yīng)119 7.3.3插入反應(yīng)和消除反應(yīng)120 7.3.4σπ重排121 7.4均相絡(luò)合催化實例分析121 7.4.1烯烴加氫121 7.4.2乙烯氧化制乙醛122 7.4.3羰基合成124 第8章 環(huán)境催化基礎(chǔ)129 8.1概述129 8.1.1環(huán)境催化的應(yīng)用129 8.1.2環(huán)境催化劑的特點129 8.2催化脫硫130 8.2.1SO2的危害及污染現(xiàn)狀130 8.2.2催化脫硫方法130 8.3催化凈化NOx技術(shù)140 8.3.1NOx的來源及危害140 8.3.2催化凈化NOx141 8.4汽車尾氣的催化凈化144 第9章 生物催化基礎(chǔ)147 9.1概述147 9.1.1生物催化劑的概念147 9.1.2生物催化與綠色化學(xué)147 9.1.3生物催化與手性合成148 9.1.4生物催化技術(shù)的現(xiàn)狀148 9.2生物催化劑的特征149 9.2.1生物催化劑的專一性149 9.2.2生物催化劑的優(yōu)勢150 9.2.3生物催化劑的劣勢150 9.2.4生物催化劑的形式151 9.3生物催化作用原理151 9.3.1酶的分子結(jié)構(gòu)151 9.3.2酶的結(jié)構(gòu)與催化功能154 9.3.3酶的輔助因子155 9.3.4酶的催化作用機制155 9.3.5酶催化作用動力學(xué)157 9.3.6生物催化劑的制備158 9.3.7生物催化劑的固定化160 9.4生物催化劑的應(yīng)用161 9.4.1酶及催化反應(yīng)的類型161 9.4.2水解反應(yīng)162 9.4.3還原反應(yīng)165 9.4.4氧化反應(yīng)166 9.4.5轉(zhuǎn)移反應(yīng)167 9.4.6加成反應(yīng)167 9.4.7異構(gòu)反應(yīng)168 9.5生物催化的發(fā)展趨勢168 9.5.1生物催化劑篩選168 9.5.2生物催化劑改良169 9.5.3仿生酶的研究169 第10章 光催化基礎(chǔ)170 10.1光催化的一些基本概念170 10.1.1光催化反應(yīng)與光催化劑170 10.1.2光催化反應(yīng)的類型170 10.1.3光化當量定律和量子產(chǎn)率171 10.2光催化的基本原理171 10.2.1催化劑光活化過程171 10.2.2反應(yīng)物光活化過程174 10.3光催化的一些應(yīng)用實例175 10.3.1光催化分解水175 10.3.2有機污染物光催化降解177 10.3.3金屬離子的光催化還原177 第11章 催化劑的制備和成型178 11.1沉淀法178 11.1.1不同類型的沉淀法178 11.1.2沉淀法操作的技術(shù)要點181 11.2浸漬法182 11.2.1等體積浸漬法182 11.2.2過量浸漬法182 11.2.3多次浸漬法183 11.2.4浸漬沉淀法183 11.2.5流化噴灑浸漬法183 11.2.6蒸氣相浸漬法183 11.3溶膠凝膠法184 11.3.1溶膠凝膠法的基本原理184 11.3.2溶膠的制備184 11.3.3凝膠過程184 11.4離子交換法185 11.4.1無機離子交換劑及其催化劑的制備185 11.4.2有機離子交換劑及其催化劑的制備185 11.5熱熔融法186 11.5.1熔鐵催化劑186 11.5.2過渡金屬骨架催化劑186 11.6混合法187 11.7催化劑的成型、干燥、焙燒與活化187 11.7.1催化劑的成型187 11.7.2催化劑的干燥189 11.7.3催化劑的焙燒與活化189 第12章 催化劑的研究方法190 12.1催化劑的性能測定方法190 12.1.1催化劑活性的測定190 12.1.2催化反應(yīng)動力學(xué)的測定191 12.2催化劑宏觀物理性質(zhì)的測定193 12.2.1比表面積、孔結(jié)構(gòu)等的測定193 12.2.2顆粒直徑、粒徑分布的測定196 12.2.3機械強度的測定198 12.3催化劑微觀性質(zhì)的測定和表征199 12.3.1X射線衍射法199 12.3.2X射線光電子能譜法201 12.3.3電子顯微鏡法205 12.3.4紅外和拉曼光譜法206 12.3.5核磁共振法211 12.3.6熱分析法216 12.3.7程序升溫技術(shù)217 第13章 催化劑設(shè)計和催化新材料220 13.1催化劑設(shè)計的綜合分析220 13.2主催化劑設(shè)計222 13.3助催化劑設(shè)計223 13.4催化劑載體的選擇224 13.5催化劑設(shè)計實例——汽車尾氣凈化催化劑225 13.5.1問題的提出225 13.5.2反應(yīng)機理分析225 13.5.3催化劑的開發(fā)226 13.6催化新材料的應(yīng)用229 13.6.1過渡金屬碳化物229 13.6.2非晶態(tài)合金229 13.6.3介孔材料（介孔分子篩）230 13.6.4中孔分子篩的合成體系和合成路線231 參考文獻233

編輯推薦

由季生福、張謙溫和趙彬俠編寫的《催化劑基礎(chǔ)及應(yīng)用》從催化劑的基礎(chǔ)知識入手，簡要闡述了催化劑及其催化作用的基本原理，然后按催化反應(yīng)類型，分別介紹了酸堿催化劑、金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、均相催化劑、環(huán)境催化劑、生物催化劑和光催化劑的催化作用基礎(chǔ)和應(yīng)用，并且介紹了催化劑的常用制備方法及成型、催化劑的性能測定和結(jié)構(gòu)研究方法，最后簡單介紹了催化劑的設(shè)計和幾種新型催化材料。本書的目的是期望對催化專業(yè)的教師、學(xué)生和科技人員有所參考，同時對非催化專業(yè)的人士有所啟發(fā)，對全民普及科技專業(yè)知識有所幫助。

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