催化劑設計與催化機理

方案簡介

催化是研究化學反應的能壘和速率受到其他物質影響的學科。通常在異相催化過程中，催化底物（反應物）是在催化劑的表面上發生反應的
，這其中涉及瞭一系列吸附、輸運、化學反應、脫附等過程
。催化研究通常包含以下的内容：

1.催化劑(jì)的結構(gòu)，尤其是表面結構(gòu)；

2.底物在催化劑(jì)表面的物理吸附、化學吸附以及擴散過(guò)程；

3.催化劑(jì)、底物和吸附結構(gòu)的譜學表征；

4.催化劑(jì)的活性和選擇性的評估，這主要涉及反應機(jī)理的可靠驗證。

 

吸附的熱力學和動力學

1.催化劑(jì)的結構(gòu)
，尤其是表面結構(gòu)

2.底物在催化劑(jì)表面的物理吸附、化學吸附以及擴散過(guò)程

3.在化學反應時間和空間尺度範(fàn)圍内研究擴散和結構變(biàn)化

 

譜學表征

1.催化劑、底物和吸附結構的譜學模拟
，並(bìng)與實驗進行對(duì)照，更好的進行結構解析

2.模拟分子、塊體、吸附結構(gòu)等的紫外可見光譜、紅(hóng)外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜等

 

反應機理研究和速率估算

1.搜索可能的反應路徑，觀(guān)察、研究反應過(guò)程

2.反應速率研究工具，可以根據(jù)勢壘(lěi)直接估算反應速率

3.使用基於(yú)力場(chǎng)的分子動力學，探索未知反應

催化劑活性評估

1.反應機理可靠性驗證

2.催化劑(jì)的活性和選擇性的評(píng)估

 

特殊催化體系

1.電催化。使用獨特的模型可以在電場(chǎng)存在的情況下研究金屬電極表面的反應機理，預測(cè)催化活性

2.光催化
。研究表面能級和催化底物能級之間的排列，以及它們之間的電(diàn)荷轉移可能性，探索光催化機(jī)理

 

催化反應特征

催化反應有四個基本特征，可以根據定義導(dǎo)出，對瞭(le)解催化劑的功能很重要。

1、催化劑隻能加速熱力學上可以進行的反應。要求開發(fā)新的化學反應催化劑時，首先要對(duì)反應進行熱力學分析，看它是否是熱力學上可行的反應。

2、催化劑隻能加速反應趨於(yú)平衡，不能改變(biàn)反應的平衡位置（平衡常數）。

3、催化劑對(duì)反應具有選擇性，當(dāng)反應可能有一個以上不同方向時，催化劑僅加速其中一種，促進反應速率和選擇性是統一的。

4、催化劑的壽命。催化劑能改變(biàn)化學反應速率，在理想情況下催化劑不爲反應所改變(biàn)。但在實際反應過程中，催化劑長(zhǎng)期受熱和化學作用，也會發生一些不可逆的物理化學變(biàn)化。

根據(jù)催化劑(jì)的定義和特征分析，有三種重要的催化劑(jì)指标：活性、選擇性、穩定性。

 

 

催化劑組成

絕(jué)大多數催化劑(jì)有三類可以區分的組分：活性組分、載體、助催化劑(jì)。

活性組分

活性組分是催化劑(jì)的主要成分，有時(shí)由一種物質組成，有時(shí)由多種物質組成。

活性組分分類：

類别	導電性（反應類型）	催化反應舉例
金屬	導(dǎo)電(diàn)體（氧化反應，還原反應）	選(xuǎn)擇性加氫(qīng)；選(xuǎn)擇性氫(qīng)解；選(xuǎn)擇性氧化
過渡金屬氧化物、硫化物	半導體（氧化還原）	選擇性加氫(qīng)、脫(tuō)氫(qīng)；氫(qīng)解；氧化
非過渡元素氧化物	絕(jué)緣體（碳離子反應，酸堿(jiǎn)反應）	聚合、異構；裂化；脫水

 

載體

載體是催化活性組分的分散劑
、黏合劑或支撐(chēng)體，是負載活性組分的骨架。将活性組分、助催化劑組分負載於(yú)載體上所制得的催化劑成爲負載型催化劑。

常用載體的類型
：低比表面積的有：剛(gāng)玉、碳化矽、浮石、矽藻土、石棉、耐火磚；高比表面積的有：氧化鋁、sio2-al2o3、鐵礬(fán)土、白土、氧化鎂、矽膠、活性炭。

助催化劑

助催化劑是加入到催化劑中的少量物質，是催化劑的輔助成分，其本身沒有活性或者活性很小，但是它們加入到催化劑中後，可以改變(biàn)催化劑的化學組成、化學結構、離子價态、酸堿性、晶格結構、表面結構、孔結構、分散狀态、機械強度等，從(cóng)而提高催化劑的活性、選擇性、穩定性和壽命。