催化剂设计与催化机理

方案简介

催化是研究化学反应的能垒和速率受到其他物质影响的学科。通常在异相催化过程中，催化底物（反应物）是在催化剂的表面上发生反应的，这其中涉及了一系列吸附、输运、化学反应、脱附等过程。催化研究通常包含以下的内容：

1.催化剂的结构，尤其是表面结构；

2.底物在催化剂表面的物理吸附、化学吸附以及扩散过程；

3.催化剂、底物和吸附结构的谱学表征；

4.催化剂的活性和选择性的评估，这主要涉及反应机理的可靠验证。

 

吸附的热力学和动力学

1.催化剂的结构，尤其是表面结构

2.底物在催化剂表面的物理吸附、化学吸附以及扩散过程

3.在化学反应时间和空间尺度范围内研究扩散和结构变化

 

谱学表征

1.催化剂、底物和吸附结构的谱学模拟，并与实验进行对照，更好的进行结构解析

2.模拟分子、块体、吸附结构等的紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱等

 

反应机理研究和速率估算

1.搜索可能的反应路径，观察、研究反应过程

2.反应速率研究工具，可以根据势垒直接估算反应速率

3.使用基于力场的分子动力学，探索未知反应

催化剂活性评估

1.反应机理可靠性验证

2.催化剂的活性和选择性的评估

 

特殊催化体系

1.电催化。使用独特的模型可以在电场存在的情况下研究金属电极表面的反应机理，预测催化活性

2.光催化。研究表面能级和催化底物能级之间的排列，以及它们之间的电荷转移可能性，探索光催化机理

 

催化反应特征

催化反应有四个基本特征，可以根据定义导出，对了解催化剂的功能很重要。

1、催化剂只能加速热力学上可以进行的反应。要求开发新的化学反应催化剂时，首先要对反应进行热力学分析，看它是否是热力学上可行的反应。

2、催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变反应的平衡位置（平衡常数）。

3、催化剂对反应具有选择性，当反应可能有一个以上不同方向时，催化剂仅加速其中一种，促进反应速率和选择性是统一的。

4、催化剂的寿命。催化剂能改变化学反应速率，在理想情况下催化剂不为反应所改变。但在实际反应过程中，催化剂长期受热和化学作用，也会发生一些不可逆的物理化学变化。

根据催化剂的定义和特征分析，有三种重要的催化剂指标：活性、选择性、稳定性。

 

 

催化剂组成

绝大多数催化剂有三类可以区分的组分：活性组分、载体、助催化剂。

活性组分

活性组分是催化剂的主要成分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成。

活性组分分类：

类别	导电性（反应类型）	催化反应举例
金属	导电体（氧化反应，还原反应）	选择性加氢；选择性氢解；选择性氧化
过渡金属氧化物、硫化物	半导体（氧化还原）	选择性加氢、脱氢；氢解；氧化
非过渡元素氧化物	绝缘体（碳离子反应，酸碱反应）	聚合、异构；裂化；脱水

 

载体

载体是催化活性组分的分散剂、黏合剂或支撑体，是负载活性组分的骨架。将活性组分、助催化剂组分负载于载体上所制得的催化剂成为负载型催化剂。

常用载体的类型：低比表面积的有：刚玉、碳化硅、浮石、硅藻土、石棉、耐火砖；高比表面积的有：氧化铝、SiO2-Al2O3、铁矾土、白土、氧化镁、硅胶、活性炭。

助催化剂

助催化剂是加入到催化剂中的少量物质，是催化剂的辅助成分，其本身没有活性或者活性很小，但是它们加入到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构、孔结构、分散状态、机械强度等，从而提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。