蜀泰催化剂技术：解读催化剂的定义、作用及选择性

蜀泰催化剂技术：解读催化剂的定义、作用及选择性

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基本定义

根据1981年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义：催化剂是一种改变反应速率，但不改变反应总的标准吉布斯自由能的物质。

催化剂在化学反应中引起的作用叫催化作用。工业上也把固体催化剂称为催化剂。催化剂本身的组成、化学性质和质量在反应前后都不发生变化；它与反应体系的关系就好比锁和钥匙的关系，具有高度的选择性（或专一性）。催化剂并不是对所有的化学反应都起催化作用，例如二氧化锰能催化氯酸钾的热分解，使化学反应的速度加快，但不一定能催化其他的化学反应。有的化学反应并不只有一种催化剂，例如氧化镁、氧化铁和氧化铜都能催化氯酸钾的热分解。用氯酸钾制氧气时，也可以用红砖粉或氧化铜作催化剂。

一般定义

初中教科书上的定义：在化学反应中，能改变其他物质的化学反应速率，而其本身的质量和化学性质在反应前后不变的物质，就叫催化剂（也叫触媒）。其物理性质可能会发生变化，例如二氧化锰（MnO2）在催化氯酸钾（KClO3）生成氯化钾（KCl）和氧气（O2）前后，由块状变成粉末状。催化剂对可逆反应的正向和逆向反应都有催化作用，具体视反应条件而定，如芳烃加氢反应。

其他定义

还有一种说法是催化剂参与化学反应。在总的化学反应中，催化剂的作用是降低反应发生所需的活化能。本质上，它把一个比较困难的反应变成两个非常容易的化学反应（相反的叫抑制剂）。在这两个反应中，催化剂在第一个反应中起反应物的作用，在第二个反应中起产物的作用。因此，从总的反应方程式来看，催化剂在反应前后没有变化。

例如：

CFC（或称CFCs，氯氟烃）破坏臭氧的原理是先与臭氧发生反应，生成一个原子氧和一个络合物，然后另一个臭氧分子再与该络合物发生反应，生成一个原子氧和CFC，然后两个原子氧再发生反应生成一个氧分子。因此，CFC在总反应前后没有变化。在总反应中，我们可以认为CFC起着催化剂的作用，将臭氧分子转化为氧分子，但实际上，CFC参与了化学反应。

当KClO3加入MnO2中产生氧气时，会发生以下反应：

+2MnO2=加热+Cl2↑+O2↑,=加热

+MnO2+O2↑,+Cl2=加热2KCl+MnO2+O2↑

催化剂原先因化学反应而生成的物质，在进一步的反应中，将使原有的催化剂再生。也就是说，上述反应中MnO2的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化。

一般而言，催化剂是指参加化学反应中间过程，能有选择地改变化学反应速率，而其本身的数量和化学性质在反应前后基本不变的物质。催化剂对化学反应的加速作用，使反应尽快达到化学平衡的作用通常称为催化作用，但它并不改变反应的平衡。

发现

催化剂最早是由瑞典化学家贝采利乌斯发现的，一百多年前曾流传着一个关于神奇“魔杯”的故事。

贝采利乌斯

一天，瑞典化学家贝采利乌斯在化学实验室里忙着做实验。晚上，他的妻子玛丽亚为亲朋好友准备了酒席，庆祝她的生日。贝采利乌斯沉浸在实验中，把这件事忘得一干二净，直到玛丽亚把他拉出实验室，他才恍然大悟，急忙赶回家。他一进家门，客人们就举杯向他祝贺。他端来一杯桃子酒，连手都没洗手就一饮而尽。当他倒上第二杯酒敬酒时，他皱着眉头喊道：“玛丽亚，你为什么给我醋喝！”玛丽亚和客人们都惊呆了。玛丽亚仔细看了看酒瓶，倒了一杯尝了尝，果然是香气扑鼻的桃子酒！贝采利乌斯漫不经心地把自己倒的那杯酒递了过去。玛丽亚喝了一口，差点吐出来。她还说：“甜酒怎么突然变成了醋酸？” 来宾们纷纷凑近，观察并猜测这个“魔杯”发生了什么事情。

贝采利乌斯发现酒杯里有少量黑色粉末，他看了看自己的手，发现手上沾满了实验室里研磨铂金而形成的黑色粉末。他兴奋地喝掉了那杯酸酒。原来，把葡萄酒变成醋酸的魔力来自于铂金粉末，它加速了乙醇（酒精）和空气中的氧气发生化学反应，生成了醋酸。后来人们把这种效应称为催化或催化作用，在希腊语中是“解除制约”的意思。

1836年，他还在《物理与化学年鉴》杂志上发表了一篇论文，首次提出了化学反应中使用的“催化”和“催化剂”的概念。

选择性

催化剂有单一化合物、络合物和混合物等组成。催化剂对某一反应起加速作用而对其它反应影响不大的能力叫催化剂选择性。不同的反应采用不同的催化剂。如用于淀粉氧化的催化剂，以Ni2+、Fe2+、Cu2+为氧化剂，催化效果较好；若以H2O2为氧化剂，Fe2+、Mn2+等效果较好，而Ni2+、Cu2+、Co2+等效果较差；以KMnO4为氧化剂时，自反应产生的Mn2+作为催化剂，而Fe2+、Ni2+、Cu2+等无催化作用。

同一反应，催化剂作用可能不同。例如聚乙烯醇缩甲醛反应中，酸作催化剂作用为盐酸（HCl）>硫酸（H2SO4）>磷酸（H3PO4）。同为苯酚与甲醛反应合成酚醛树脂，采用氢氧化钠、氢氧化钡、盐酸、氨水、草酸、醋酸、甲酸、硫酸、磷酸、氧化镁、氧化锌等催化剂，产品性能有差异。

主要类别

催化剂的种类很多，按其状态可分为液体催化剂和固体催化剂；按反应体系的相态可分为均相催化剂和非均相催化剂。均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂等，非均相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等；按反应类型可分为聚合、缩聚、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂；按作用效果的大小可分为主催化剂和助催化剂。

1. 均相催化

催化剂与反应物处于同一相中，不存在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，固体酸碱催化剂，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. 非均相催化

非均相催化剂又称异相催化剂，它们在不同相的反应中使用，也就是它们与所催化的反应物处于不同的状态。例如在人造黄油的生产中，不饱和植物油和氢气可以通过固体镍（催化剂）转化为饱和脂肪。固体镍是非均相催化剂，它所催化的反应物是液体（植物油）和气体（氢气）。一个简单的非均相催化反应包括反应物（或底物）吸附在催化剂表面，反应物中的键断裂，导致新键的生成，但由于产物与催化剂之间的键不牢固，产物就脱离了反应位点。现在已知催化剂表面吸附和反应的许多不同结构。

3. 生物催化

酶是生物催化剂，是由植物、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。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，不能再发挥作用。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：酶制剂在工业上可用作催化剂，有的酶也是珍贵的药物。）

催化反应

催化剂可用来改变化学反应的速率，这种反应称为催化反应。大多数催化剂只能加速某一种化学反应，或某一种类型的化学反应，并不能用来加速所有的化学反应。催化剂在化学反应中不消耗，可以在反应前或反应后从反应物中分离出来，但也有可能在反应的某一阶段被消耗，然后在整个反应完成之前再生。

使化学反应加速的催化剂叫正催化剂；使化学反应减慢的催化剂叫负催化剂。例如，无机酸常用作酯类、多糖类水解的正催化剂；五氧化二钒常用作二氧化硫氧化为三氧化硫的正催化剂。这种催化剂是固体，反应物是气体，形成多相催化作用。所以五氧化二钒又叫催化剂或接触剂；在食用油脂中加入0.01%～0.02%的没食子酸正丙酯，能有效防止酸败。在这里，没食子酸正丙酯就是一种负催化剂（也叫缓凝剂或抑制剂）。

目前，催化剂的作用还未被完全认识。多数情况下认为，催化剂本身与反应物一起参与化学反应，降低了反应所需的活化能。有些催化反应是由于生成了易分解的“中间体”，分解后，催化剂恢复原来的化学组成，原来的反应物变成产物。有些催化反应是由于吸附，只能在催化剂表面最活跃的区域（称为活性中心）进行，活性中心面积越大或越多，催化剂的活性越强。如果反应物中有杂质，催化剂的活性就可能减弱或丧失，这种现象称为催化剂中毒。

催化剂对化学反应速率影响巨大，有些催化剂可以使化学反应速度加快数百万倍。催化剂一般具有选择性，只能加速某一种反应或某一种类型的反应。例如，甲酸在加热时分解，一半脱水，一半脱氢：

碳酸氢钠=H2O+CO

碳酸氢钠=H2+CO2

若以固体Al2O3为催化剂，则只发生脱水反应；若以固体ZnO为催化剂，则只发生脱氢反应。这一现象说明不同性质的催化剂只能加速特定类型的化学反应。因此，我们可以利用催化剂的选择性，使化学反应主要朝某个方向进行。

在催化反应中，人们经常在催化剂之外加入另一种物质来增强催化剂的催化效果，这种物质就叫助催化剂。助催化剂在化学工业中极其重要，例如在合成氨的铁催化剂中加入少量的铝和钾的氧化物作为助催化剂，可以大大增强催化剂的催化效果。

催化剂在现代化学工业中起着极其重要的作用，例如合成氨的生产要用铁催化剂，硫酸的生产要用钒催化剂，三大合成原料乙烯的聚合、丁二烯生产橡胶等都需要用到不同的催化剂。据统计，90%以上的化工生产过程（如氨、硫酸、硝酸的合成，乙烯、丙烯、苯乙烯等的聚合，石油、天然气、煤的综合利用等）都要使用催化剂，以加快反应速度，提高生产效率。在资源利用、能源开发、医药制造、环境保护等领域，催化剂也发挥着巨大的作用。科学家们正在这些领域探索合适的催化剂，以期在某些方面取得新的突破。 催化剂显然参加了反应，但它仅仅起到反应中介的作用，是一种在反应前后（注意，不是反应过程中）总量不变而使反应​​速度加快或减慢的物质。

例如，反应 A+B=C

如果A+R=X，X+B=C+R，速度就会和上面的公式不一样。

如果反应前后R的性质和总量没有发生变化，则可以说R是反应A+B=C的催化剂。

行业发展趋势

美国集团近日发布的最新研究报告显示，虽然未来5年全球化学工业仍将保持健康的发展势头，但化工催化剂的需求增速将是所有催化剂终端领域中最为缓慢的，特别是有机合成催化剂的需求将受到制药行业缺乏新产品的不利影响，但这种不利影响将被非洲、亚太、东欧和中东地区石化工业的扩张所抵消；聚合催化剂的需求增速将是所有催化剂品种中最快的，主要得益于非洲和中东地区聚合物产能的快速扩张；由于加氢催化剂需求的稳步增长以及非洲、中东和亚太地区石油产量较高，对炼油催化剂的需求也将十分强劲。全球正在通过降低汽车燃料的含硫量来减少空气污染，这将继续增加催化剂的使用量。

据称，未来5年全球催化剂市场需求预计年均增长近6%，到2012年全球催化剂市场份额将达到163亿美元。其中，北美市场占32%的市场份额，亚太占31%，西欧占21%，东欧和拉美占9%，非洲和中东占7%。若按需求计算，未来5年全球催化剂市场需求预计年均增长2%，到2012年全球催化剂市场需求将达到530万吨。

实函数

催化剂在化工生产中有着重要而广泛的应用，催化剂用于生产化肥、农药及各种化工原料。

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。例如生产硫酸时要用五氧化二钒作催化剂。由氮和氢合成氨，要用以铁为主的多组分催化剂，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，能将二者迅速转化为无害的二氧化碳和氮气。酶是植物、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、制药工业等都要用到催化剂。

我们从玻尔兹曼分布（ ）和能量关系图（ ）可以看出，催化剂可以使化学反应物在不改变活化能（ ）的情况下，通过一条需要较少活化能（ ）的路径进行反应。通常，在这种能量下，分子要么无法完成化学反应，要么需要很长时间才能完成化学反应。但在催化剂的存在下，分子只需要较少的能量就能完成化学反应。

制造方法

每一种催化剂制造方法实际上都是由一系列的操作单元组成的，为了方便，人们采用关键的、有区别的操作单元的名称作为制造方法的名称。传统方法有机械混合法、沉淀法、浸渍法、溶液蒸发法、热熔法、浸出法（浸取法）、离子交换法等，目前正在开发的新方法有化学键合法、纤维化法等。

1.离子交换法

一些结晶物质（如合成沸石分子筛）的金属阳离子（如Na）可以与其它阳离子进行交换。将其放入含有其它金属离子（如稀土元素和某些贵金属）的溶液中，在控制浓度、温度和pH条件下，用Na交换其它金属离子。由于离子交换反应发生在交换器表面，铂、钯等贵金属可以以原子状态分散在有限的交换基团上，从而使其得到充分利用。此方法常用于制备裂解催化剂，如稀土-分子筛催化剂。

2. 正在开发的新方法

①化学键合法。这种方法现在已广泛应用于聚合催化剂的制造。它的目的是将均相催化剂固化。能与过渡金属配合物发生化学键合的载体，其表面带有某些功能基团(或经化学处理后附加功能基团)，如-X、-CH2X、-OH等基团。该类载体与膦、胂或胺反应，使之膦、胂或胺化，再利用表面磷、胂或氮原子的孤电子对与过渡金属配合物的中心金属离子进行配位络合，得到化学键合的固相催化剂，如丙烯本体液相聚合用载体的制造——齐格勒-纳塔催化剂。

②纤维化法。用于制造含有贵金属的载体催化剂。例如将硼硅酸盐拉成玻璃纤维丝，用浓盐酸溶液腐蚀，成为多孔玻璃纤维载体，再用氯铂酸溶液浸渍，负载铂组分。根据实际情况，将纤维催化剂压制成各种形状和所需的紧密度。例如，用于汽车尾气氧化的催化剂，可压成短圆管。如果不是氧化工艺，也可以使用碳纤维。纤维催化剂的制造工艺相对复杂，成本较高。

使用开发

催化剂用量很少，必须适当选择，最好使用混合催化剂。无机酸、碱、盐催化剂均有腐蚀性，且有一定的毒性；有机催化剂大多易燃，甚至爆炸，有毒性。例如三氟化硼单乙醚配合物是剧毒物质，在搬运、储存和使用过程中必须注意安全。

催化剂的发展应向高效、低腐蚀、纳米化、环境友好型方向发展。高效意味着用量少，低腐蚀可以减少对设备的损害，纳米化可以使金属氧化物催化剂的效率更高，环境友好型有利于健康和环境友好。

英国剑桥大学研究人员发明了一种新型催化剂，可以在常温、常酸碱度等条件下分解水产生氢气，所得到的氢气可以应用于氢燃料电池等方面。

我国催化剂的发展历程

我国第一个催化剂生产车间于1959年改名，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Ⅵ型二氧化硫氧化用钒催化剂，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的纯硫化钨、硫化钼催化剂。石油六厂开始生产费托合成用的钴催化剂，1960年开始生产叠合用的磷酸-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，当时石油催化裂化催化剂最早是在兰州炼油厂生产的，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，以后开始生产高堆积比、耐磨的半合成稀土-Y分子筛。我国在20世纪60年代开始研制重整催化剂，60年代中期，石油三厂开始生产铂类催化剂，70年代相继生产双金属铂铼催化剂和多金属重整催化剂。在加氢精制方面，石油三厂60年代开始生产钼钴、钼镍重整预加氢催化剂，70年代生产钼钴镍低压预加氢催化剂，80年代生产三叶型加氢精制催化剂。

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。

前景

催化剂在世界各行各业中有着广泛的应用，未来在催化剂的科学理论研究、清洁能源的开发利用、环境保护和提高经济效益、以及人类生存环境的管理和保护等方面都将有巨大的发展前景。总之，人类的生存发展、衣食住行都离不开催化剂及其发展。

失活原因

催化剂在使用过程中会因各种因素而迅速或缓慢地失去活性。催化剂失活的原因很复杂，可归纳为以下几类：

1. 永久失活

催化剂的活性组分由于某些外来组分的作用（中毒）而失去活性，往往是永久性失活。这些外来组分往往与催化剂的活性组分发生化学反应或离子交换，使活性组分发生变化。例如酸性催化剂被碱中和，贵金属催化剂被硫化物或氮化物中毒。催化剂因中毒而失活，常表现为活性迅速下降。活性组分在使用过程中也会因磨损或升华而损失，造成永久性失活。这种类型的失活往往很难简单恢复。

2、活性组分被覆盖而逐渐失活，属于非永久性失活。例如，反应过程中产生的积碳覆盖活性组分或堵塞催化剂的孔隙，使反应物不能与活性组分接触。这些覆盖物可以通过一定的方法除去，如积碳引起的失活可通过烧碳来恢复。

3、操作不当导致催化剂失活，如反应温度过高、压力波动剧烈导致催化剂床层紊乱或压坏等，此种失活是不可恢复的。

公司名称：

单位地址：四川省遂宁市大英县工业集中开发区