第十章 工业催化剂的设计

第十章工业催化剂的设计2课时10.1.催化剂及其设计理论1925年，H.S.Taylor提出活性中心说；中间化合物理论；20世纪50年代，多相催化→催化电子理论←固体能带结构；近20年，均相与多相中两种活性中心1968年，英D.A.Dowden首次提出“催化剂设计”的构想；日本米田幸夫等提出“数值的触媒学”；1980年，澳大利亚D.L.Trimm写成《工业催化剂的设计》；1984年，我国金松寿提出“集团结构适应理论”；1991年，黄仲涛编著《工业催化剂设计与开发》；1994年，Robert.B等人汇编成《催化剂的计算机辅助设计》10.2.催化剂设计的一般程序1.程序框图Dowden建议的催化刑设计程序框图2.设计范例例：甲烷部分氧化制甲醛(一步法)多相催化剂设计程序(一)靶反应(目的反应)CH4＋O2＝CH2O＋H2O△H○r(298K)＝－321.3kJ/mol△G○r(298K)＝－296.6kJ/mol反应为放热，热力学可行，甚至高温下也有较大的转化率(二)热力学分析(三)分子反应机理可能的分子反应机理(四)表面反应机理分析甲醛生成的表面反应机理(五)反应通道的鉴别由表面反应机理假说出发，所需的反应通道已可确立。按所需的反应通道完成靶反应，则可知所设计的催化剂，必须是有助于氧的插入，并且有弱的脱氢功能，但同时具有抑制强的氧化以及脱氢的功能。(六)必须具有的催化剂性质所设计的催化剂必须具有：①吸附氧的活性位，以引发含氧物种的离解和固定；②弱的脱氢活性位，以便由CH4得到-CH3，并从某中间物种脱除H；③促进最终脱氢步骤的相邻的另一种活性位。(七)适宜的催化剂材料选择弱脱氢反应的“活性样本”，有可能促进本反应的是含下列离子的氧化物：Cu2+、Ni2+、Fe3+、Mn2+、V3+、V5+及Ti4+等；氧的插入活性也是一种弱的氧化活性，参照样本：Sc3+、Ti4+、V3+、Cr3+、Fe2+、Zn2+、Zr3+、Nb3+、Mo6+。如：CoAl2O4、NiAl2O4、ZnTiO4等(八)推荐的催化剂根据上述分析，设计者推荐用于制备筛选的活性样本为：弱脱氢活性样本：Fe3+、V3+、V5+及Ti4+氧插入活性样本：Sc3＋、Ti4＋、V3＋、Fe2＋、Zn2＋、Zr3＋、Nb3＋、Mo6＋最后推荐的候选催化剂材料：单氧化物：TiO2、V2O3混合氧化物：TiO2+MoO3、ZnO+V2O3复氧化物：Fe3O4、ZnTiO3、钼酸铁10.3.计算机辅助催化剂设计简介数据库NIST化学动力学数据库CATDB催化剂设计数据库专家系统ESMDC专家系统人工神经元网络技术