第4节-金属氧化物催化剂及其催化作用

第四节金属氧化物催化剂及其催化作用第四节金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用金属氧化物催化剂的概述半导体的能带结构及其催化活性从能带结构出发，讨论催化剂的电导率、逸出功与催化活性的关系第四节金属氧化物催化剂及其催化作用4.4.1金属氧化物催化剂的概述1、金属氧化物催化剂特点：常为多组分的复合氧化物，如二组分的：V2O5-MoO3，MoO3-Bi2O3等；三组分的：TiO2-V2O5-P2O5,……..七组分：MoO3-Bi2O3-Fe2O3-CoO-K2O-P2O5-SiO2（第三代生产丙烯腈催化剂）；组分中至少有一个组分是过渡金属氧化物；组分与组分之间可能有相互作用，相互作用情况常因条件而异；复合氧化物常是多相共存，如MoO3-Bi2O3，就有-，-，-相。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用思考题：为什么金属氧化物催化剂中最少有一个组分是过渡金属氧化物？原因是：过渡金属氧化物催化剂的电子特性过渡金属氧化物中金属阳离子的d电子层容易失去或得到电子，具有较强的氧化还原性能过渡金属氧化物具有半导体性质第四节金属氧化物催化剂及其催化作用2、氧化物催化反应类型烃类的选择性氧化NOx的还原烯烃的歧化与聚合第四节金属氧化物催化剂及其催化作用过渡金属氧化物催化剂的工业应用(1)反应类型催化主反应式催化剂主催化剂助催化剂选择氧化及氧化MoO3-Bi2O3-P2O5（Fe，Co，Ni氧化物）MoO3-Bi2O3P2O5(Fe,Co,Ni)氧化物钼酸钴+MoTe2O5钼酸钴MoTe2O5Mo+W+V氧化物+适量Fe、Ti、Al、Cu等氧化物Mo+W+V氧化物适量Fe、Ti、Al、Cu等氧化物V2O5+K2SO4+硅藻土V2O5K2SO4（硅藻土载体）V2O5+K2SO4+硅藻土V2O5K2SO4（硅藻土载体）氨氧化MoO3-Bi2O3-P2O5-Fe2O3-Co2O3MoO3-Bi2O3P2O5-Fe2O3-Co2O3C3H6+O2CH2CHCHO+H2OC3H6+O2CH2CHCOOH+H2O32C3H6+2O22CH2COOHSO2+O2SO3212NH3+O22NO+3H2O25C3H6+NH3+O2CH2CHCN+3H2O32第四节金属氧化物催化剂及其催化作用反应类型催化主反应式催化剂主催化剂助催化剂氧化脱氢P-Sn-Bi氧化物Sn-Bi氧化物P2O5P-Sn-Bi氧化物Sn-Bi氧化物P2O5V2O5-P2O5-TiO2V2O5P2O5（TiO2载体）V2O5-(Ag,Si,Ni,P)等氧化物，Al2O3V2O5Ag、Si、Ni、P等氧化物（Al2O3载体）V2O5-(P,Ti,Ag,K)等氧化物-硫酸盐+藻土V2O5P,Ti,Ag,K等氧化物-硫酸盐(硅藻土)载体V2O5-(P,Ti,Cr,K等氧化物)-大孔硅胶V2O5P、Ti、Cr、K等氧化物硫酸盐（大孔硅胶载体）脱氢Fe2O3-Cr2O3-K2O-CeO2-水泥Fe2O3Cr2O3-K2O-CeO2（水泥载体）加氢ZnO-CuO-Cr2O3CuO-ZnOCr2O3过渡金属氧化物催化剂的工业应用(2)C4H10+O2C4H6+2H2OC4H8+O2C4H6+H2O21C4H8+3O2C4H2O3+3H2OC6H6+O2C4H2O3+2H2O+2CO229C10H8+O2C8H4O3+2H2O+2CO229C8H10+3O2C8H4O3+3H2OC8H10C4H8C8H8+H2C4H6+H2CO+2H2CH3OH第四节金属氧化物催化剂及其催化作用过渡金属氧化物催化剂的工业应用(3)反应类型催化主反应式催化剂主催化剂助催化剂临氢脱硫Co3O4-MoO3-Al2O3NiO-MoO3-Al2O3MoO3MoO3Co3O4-NiO（Al2O3载体）临氢脱硫MoO3-Co3O4-Al2O3MoO3Co3O4(Al2O3载体)聚合与加成Cr2O3-SiO2-Al2O3（少量）Cr2O3SiO2-Al2O3（少量）（又为载体）Nb2O5-SiO2Nb2O5SiO2RSH+H2RH+H2SC4H10+H2SS+4H2RSH+H2RH+H2SRSR'+2H2RH+R'H+H2SC4H4S+4H2C4H10+H2Sn(C2H4)(C2H4)n中等聚合3C2H4C6H6(苯)第四节金属氧化物催化剂及其催化作用3、氧化用的氧化物催化剂类型过渡金属氧化物，晶格氧参与反应，组成含有二种以上价态可变的阳离子，属非计量化合物，晶格中阳离子常能互溶，形成复杂的结构。金属氧化物，用于氧化的活性组分是化学吸附型氧物种，吸附态：分子态、原子态等原态是金属，其表面吸附氧形成氧化层，如Ag对乙烯、甲醇的氧化，Pt对氨的氧化。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用1、固体的能带结构：原子核周围的电子是按能级排列的。例如1S，2S，2P，3S，3P……内层电子处于较低能级，外层电子处于较高能级。固体中许多原子的电子轨道发生重叠，其中外层电子轨道重叠最多。由于这种重叠作用，电子不再局限于在一个原子内运动，而是在整个固体中运动，这种特性称为电子的共有化。但重叠的外层电子也只能在相应的轨道间转移运动。例如3S引起3S共有化，形成3S能带；2P轨道引起2P共有化，形成2P能带。4.4.2半导体的能带结构及其催化活性第四节金属氧化物催化剂及其催化作用满带或价带、空带、导带、禁带下面一部分密集的能级组成一个带，一般充满或部分充满价电子，称为满带或价带；上面一部分密集的能级也组成一个带，在基态时往往不存在电子，所以称为空带；当电子受热或辐射激发时会从价带跃迁到空带，激发到空带中去的自由电子提供了半导体的导电能力，成为导带。在导带（空带）和满带之间没有能级，不能填充电子，这个区间叫禁带，其能量宽度表示为EgE≤3ev第四节金属氧化物催化剂及其催化作用导体（金属）、半导体（金属氧化物）和绝缘体的最大差别是三者禁带宽度不同——按照电子性质分类的固体的能带模型示意图第四节金属氧化物催化剂及其催化作用2、半导体的类型本征半导体：不含杂质，具有理想的完整的晶体结构，有电子和空穴两种载流子，例如Si、Ge、PbS、Fe3O4等。n型半导体：含有能供给电子的杂质，此杂质的电子输入空带成为自由电子，空带变成导带。该杂质叫施主杂质。p型半导体：含有易于接受电子的杂质，半导体满带中的电子输入杂质中而产生空穴，该杂质叫受主杂质。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用（1）本征半导体能带结构不含杂质，具有理想的完整的晶体结构，具有电子和空穴两种载流子。本征半导体在禁带中没有出现杂质能级第四节金属氧化物催化剂及其催化作用（2）n型半导体(电子型半导体)在导带和满带之间另有一个能级，并有电子填充其中，该电子很容易激发到空带而引起导电，这种半导体就称为N型半导体。中间的这个能级称为施主能级,靠近导带的下部。满带由于没有变化在导电中不起作用。实际情况中N型半导体都是一些非计量的氧化物，在正常的能带结构中形成了施主能级。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用n型半导体生成条件A)非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体。B)负离子缺位氧化物。C)高价离子取代晶格中的正离子。D)引入电负性小的原子。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用A含有过量金属原子或低价离子的非化学计量化合物可生成n型半导体例1：氧化锌中有多余锌原子存在，这是在ZnO制备时分解或还原引起的，反应式为：ZnO→Zn+1/2O2，ZnO+H2→Zn+H2OZn2+O2-Zn2+O2-Zn2+O2-O2-Zn2+O2-Zn2+O2-Zn2+Zn+eZn2+O2-Zn2+O2-Zn2+O2-O2-Zn2+O2-Zn2+O2-Zn2+锌原子处于晶格间隙。间隙锌原子上的电子被束缚在间隙锌离子上，这些电子不参与共有化能级，有自己的能级，即施主杂质能级。被束缚的电子很容易跃迁到导带，成为导电电子，生成n型半导体。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用B、负离子缺位氧化物第四节金属氧化物催化剂及其催化作用Zn2+O2-Zn1+O2-Zn2+O2-O2-Zn2+eZn2+O2-Zn2+Zn2+O2-Zn1+eZn2+O2-O2-Zn2+O2-Zn2+O2-Zn2+例2：当氧化锌晶体存在着负离子O2-缺位，为保持氧化锌电中性，附近的Zn2+变成Zn1+，且在缺位上形成束缚电子e。束缚电子e也有自己的能级，即施主能级，电子可跃迁到导带成为导电电子，形成n型半导体。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用C、高价离子同晶取代第四节金属氧化物催化剂及其催化作用D、掺入电负性小的原子当晶格间隙中掺入电负性较小的原子，如在ZnO中掺入Li。由于Li的电负性小，很容易把电子交给邻近的Zn2+，形成Li+、Zn+。这些Zn+的产生实际可以看作Zn2+束缚住一个电子的结果，即e·Zn2+。此束缚电子也不是共有化的，当温度升高时会激发到空带而导电，因而也是施主来源。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用Zn原子、Zn1+离子、Al3+离子、Li原子均可在ZnO中提供自由电子，统称它们为施主杂质，在能带图中形成施主能级，靠自由电子导电。n型半导体导电主要取决于导带中的自由电子数。提高温度，提高施主能级位置，增加施主杂质的浓度都可提高n型半导体的导电性能。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用（3）p型半导体(空穴型半导体)在禁带中存在一个能级，有空穴存在它很容易接受满带中跃迁上来的电子，使满带中出现空穴而导电，这种导电方式就是P型导电。这种能级称为受主能级，靠近满带的上部。有受主能级的半导体称为P型半导体，P型半导体也是一些非计量的化合物，这些非计量关系造成半导体中出现受主能级。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用p型半导体生成条件A)非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。B)用低价正电粒子取代晶格中的正离子。C)向晶格掺入电负性大的间隙原子。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用A、NiO的正离子缺位在NiO中Ni2+缺位，相当于减少了两个正电荷。为保持电中性，在缺位附近，必定有2个Ni2+变成Ni3+，这种离子可看作为Ni2+束缚住一个空穴，即Ni3+＝Ni2+·，这空穴具有接受满带跃迁电子的能力，当温度升高，满带有电子跃迁时，就使满带造成空穴，从而出现空穴导电。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用Ni2+⊕O2-Ni2+O2-Ni2+O2-□O2-Ni2+⊕O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-第四节金属氧化物催化剂及其催化作用B、低价正离子同晶取代若以Li＋取代NiO中的Ni2+，相当于少了一个正电荷，为保持电荷平衡，Li+附近相应要有一个Ni2+成为Ni3+。即Ni3+＝Ni2+·，这空穴具有接受满带跃迁电子的能力，同样可以造成受主能级而引起P型导电。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+⊕O2-Li1+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-Ni2+O2-第四节金属氧化物催化剂及其催化作用C、电负性较大原子的掺杂在NiO晶格中掺入电负性较大的原子时，例如F，它可以从Ni2+夺走一个电子成为F-，同时产生一个Ni3+，也造成了受主能级。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用Ni2+⊕、Li+和F统称为受主杂质，它在能带图上形成一个受主能级，靠空穴导电。降低温度，降低受主能级的位置或增加受主杂质的浓度，都可以使p型半导体的导电能力提高。第四节金属氧化物催化剂及其催化作用为什么n型和p型半导体比本征半导体更易导电？因为n型半导体由施主能级上的电子跃迁到空带上所克服的电离能远远小于本征半导体。同样，p型半导体满带中电子跃迁到受主能级也十分容易。例如，在本征半导体纯硅单晶中加入杂质磷或硼可生成n型半导体和p型半导体。硅单晶的禁带宽度为1.1eV，而施主杂质磷产生的施主能级与空带之间宽度为0.044eV;硼产生的受主能级与满带之间宽度为0.045eV，可见n型和