催化剂的定义、分类及作用原理

催化剂的定义、分类及作用原理

基本介绍

催化剂又叫触媒，初中时的定义是能改变化学反应速率，而其质量、组成和化学性质在参加化学反应前后保持不变的物质。例如二氧化锰可作为过氧化氢（过氧化氢）分解的催化剂。催化剂分为正催化剂和逆催化剂，正催化剂帮助反应向正方向进行，逆催化剂帮助反应向逆方向进行。

2 基本分类 2.1 均相催化剂

催化剂与反应物处于同一相中而无相界时所进行的反应称为均相催化。能进行均相催化的催化剂称为均相催化剂。均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和固体酸、碱催化剂如铬酸钾、可溶性过渡金属化合物（盐和配合物）等。均相催化剂以分子或离子的形式独立起作用，活性中心均匀，活性高，选择性强。

2.2 非均相催化剂

催化剂（） 多相催化剂又称非均相催化剂，存在于反应的不同相（Phase），也就是和它们所催化的反应物处于不同的状态。 例如：生产人造黄油时，不饱和植物油与氢气通过固体镍（催化剂）可转化为饱和脂肪。固体镍是多相催化剂，其催化的反应物是液体（植物油）与气体（氢气）。 简单的非均相催化反应，反应物（或zh-ch：底物；zh-tw：基质）吸附在催化剂表面，反应物中的键非常脆弱，导致形成新的键，但是产物与催化剂之间的键不牢固，所以出现产物。目前，已知吸附反应有许多不同的可能结构位置。

2.3 生物催化剂

酶是生物催化剂（催化剂），由植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物质（大部分是蛋白质。但少量的RNA也具有生物催化功能），以前称为酶。生物体几乎所有的化学反应都是在酶的催化作用下进行的。酶的催化作用也是有选择性的。例如淀粉。酶催化淀粉水解成糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成多肽等。生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内许多化学反应就会进行得很缓慢，生命也难以维持。酶的工作状态在37℃左右（人体温度）的温度下最好。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏，不能再工作。因此，利用酶分解衣物上污渍的生物洗涤剂，在低温下使用效果最好。 酶在生理、医学、农业、工业等方面都具有重要意义。目前，酶制剂的应用越来越广泛。（例如：酶制剂在工业上可作为催化剂，有的酶是珍贵的**。）

3 种基本用途

催化剂在化工生产、科学家的实验和生命活动中都非常有用。例如生产硫酸要用五氧化二钒作催化剂。由氮和氢合成氨，要用以铁为主的多基团催化剂，以提高反应速度。在炼油厂中催化剂是必不可少的，通过选择不同的催化剂，可以得到不同品质的汽油和煤油。酸性和碱性色催化剂的化学合成。汽车尾气中含有对人体有害的一氧化碳和一氧化氮，利用铂等金属作催化剂，能使二者迅速转化为无害的二氧化碳和氮气。酶是由植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质，生物体几乎所有的化学反应都是在酶的催化作用下进行的。酿造工业、制药工业等都使用催化剂来促进其生产。

4 行业发展前景

1959年改名第一催化剂生产车间，1950年开始生产AI型合成氨催化剂、C-2型一氧化碳高变换催化剂和二氧化硫氧化用Ⅵ型钒催化剂，以后逐步具备了合成氨工业所需各种催化剂的生产能力。20世纪80年代，我国开始生产天然气、轻油蒸汽重整用负载型镍催化剂，到1984年，生产硫酸、硝酸、合成氨工业用催化剂的单位已达40余家。为发展燃料化工，20世纪50年代初，石油三厂开始生产硫化钼—高岭土、硫化钨—活性炭、硫化钨—高岭土及页岩油加氢用纯硫化钨、硫化钼催化剂。 石油六厂开始生产费托合成用钴催化剂，1960年开始生产叠合用磷酸-硅藻土催化剂。20世纪60年代初，中国开发了丰富的石油资源，开始发展炼油催化剂的工业生产，当时最早生产石油裂化催化剂的是兰州炼油厂，该厂于1964年建成投产。20世纪70年代，中国开始生产稀土-X分子筛和稀土-Y分子筛。70年代末开始生产共凝胶法硅铝载体稀土-Y分子筛，后来又开始生产高叠合比、耐磨的半合成稀土-Y分子筛。从20世纪60年代起，中国开始研制重整催化剂。 60年代中期，三油厂开始生产铂系催化剂，70年代开始生产双金属铂铼催化剂和多金属重整催化剂；加氢精制方面，60年代三油厂开始生产钼钴、钼镍重整预加氢催化剂，70年代开始生产钼钴镍低压预加氢催化剂，80年代开始生产三叶加氢精制催化剂。

为了发展有机化学工业，20世纪50年代末至60年代初先后生产了乙苯脱氢用铁催化剂、乙炔加氯化氢生产氯乙烯用氯化汞/活性炭催化剂、萘在流化床中氧化生产苯酐用氧化钒催化剂、加氢用骨架镍催化剂等。为满足我国石油化工发展的需要，新生产的催化剂数量迅速增加。到80年代，又生产了多种精制烯烃选择加氢催化剂，并生产了丙烯氨氧化用微球氧化物催化剂、乙烯与乙酸氧化生产醋酸乙烯的负载型金属催化剂、高效烯烃聚合催化剂、工业废气处理用蜂窝状催化剂等。

前瞻产业研究院发布的《中国催化剂行业深度调研与投资战略规划分析报告》数据显示，利用催化剂催化环氧物与二氧化碳共聚合成聚碳酸亚烷基酯，可广泛应用于低温隔氧膜、生物降解塑料、弹性体、胶粘剂、涂料等领域。该类聚合物的合成不仅可有效利用工业上大量排放、对环境危害很大的温室气体二氧化碳，而且产品可生物降解，不会产生常规塑料造成的白色污染，市场前景广阔。

5 制备方法

催化剂机械混合法

将两种或两种以上物质加入混合装置中混合均匀，此法简便易行。例如，在转化—吸收脱硫剂的制造中，将活性组分(如二氧化锰、氧化锌、碳酸锌)和少量粘结剂(如氧化镁、氧化钙)的粉末计量后连续加入到可调速、倾斜度的转盘中，同时喷入水，粉末滚动、混合、粘结，形成直径均匀的球体，再经干燥、焙烧即为成品。乙苯脱氢制苯乙烯的Fe-Cr-KO催化剂，是将氧化铁、铬酸钾等固体粉末混合，压制、煅烧而成。采用此法时，应注意粉末的粒度和物理性质。

5.1 沉淀法

此法用于制造要求分散性高、含有一种或多种金属氧化物的催化剂。在制造多组分催化剂时，适宜的沉淀条件对保证产品组成的均匀性和制造高质量的催化剂非常重要。通常的方法是将沉淀剂(如碳酸钠、氢氧化钙)加入一种或多种金属盐溶液中，经沉淀、洗涤、过滤、干燥、成型、焙烧(或活化)后得到最终产品。如果在沉淀桶中放入不溶性物质(如硅藻土)，使金属氧化物或碳酸盐附着在不溶性物质上而沉淀下来，这就称为附着沉淀法。沉淀法要求有高效的过滤和洗涤设备，以节约用水，避免渗漏损失。

浸渍法

将孔隙率较高的载体（如硅藻土、氧化铝、活性炭等）浸入含有一种或多种金属离子的溶液中，保持一定的温度，使溶液进入载体的孔隙中。载体经沥水、干燥、煅烧后，在载体内表面附着一层所需的固体金属氧化物或其盐（图1）。浸渍法可使催化活性组分高度分散、均匀分布在载体表面，在催化过程中得到充分利用。此法常用于制备含贵金属（如铂、金、锇、铱等）的催化剂，其金属含量通常低于1%。此法也常用于制备昂贵的镍基、钴基催化剂。所用载体大多已成型，因此载体的形状即为催化剂的形状。 另一种方法是将球形载体装入可调速的滚筒内（图2），然后喷洒含有活性成分的溶液或浆液，使其浸入载体中或涂覆在载体表面。

5.2 喷雾干燥

它用于制造粒径从几十微米到几百微米的流化床催化剂。例如，在流化床中制造间二甲苯氨氧化制备间二腈的催化剂时，首先将给定浓度和体积的偏钒酸盐和铬盐水溶液充分混合，然后与定量的新配制的硅胶混合，用泵送入喷雾干燥器中，经喷嘴雾化后，在热气流作用下水分蒸发，物料形成微球形催化剂，由喷雾干燥器底部连续抽出。

5.3 热熔法

热熔法是制备某些催化剂的一种特殊方法，适用于少数需经过熔炼工序的催化剂。其目的是利用高温条件将各组分熔化成均匀分布的混合物，再经必要的后续处理，即可得到性能优良的催化剂。该类催化剂往往强度高、活性高、热稳定性好、使用寿命长，主要用于制造合成氨的铁催化剂。将选定的磁铁矿及相关原料在高温下熔化、冷却、粉碎、筛分，然后在反应器中还原。