方案簡介

催化是研究化學(xué)反應(yīng)的能壘和速率受到其他物質(zhì)影響的學(xué)科。通常在異相催化過程中，催化底物（反應(yīng)物）是在催化劑的表面上發(fā)生反應(yīng)的，這其中涉及了一系列吸附、輸運(yùn)、化學(xué)反應(yīng)、脫附等過程。催化研究通常包含以下的內(nèi)容：

1.催化劑的結(jié)構(gòu)，尤其是表面結(jié)構(gòu)；

2.底物在催化劑表面的物理吸附、化學(xué)吸附以及擴(kuò)散過程；

3.催化劑、底物和吸附結(jié)構(gòu)的譜學(xué)表征；

4.催化劑的活性和選擇性的評估，這主要涉及反應(yīng)機(jī)理的可靠驗(yàn)證。

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吸附的熱力學(xué)和動力學(xué)

1.催化劑的結(jié)構(gòu)，尤其是表面結(jié)構(gòu)

2.底物在催化劑表面的物理吸附、化學(xué)吸附以及擴(kuò)散過程

3.在化學(xué)反應(yīng)時間和空間尺度范圍內(nèi)研究擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)變化

譜學(xué)表征

1.催化劑、底物和吸附結(jié)構(gòu)的譜學(xué)模擬，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照，更好的進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析

2.模擬分子、塊體、吸附結(jié)構(gòu)等的紫外可見光譜、紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振譜等

 

反應(yīng)機(jī)理研究和速率估算

1.搜索可能的反應(yīng)路徑，觀察、研究反應(yīng)過程

2.反應(yīng)速率研究工具，可以根據(jù)勢壘直接估算反應(yīng)速率

3.使用基于力場的分子動力學(xué)，探索未知反應(yīng)

 

催化劑活性評估

1.反應(yīng)機(jī)理可靠性驗(yàn)證

2.催化劑的活性和選擇性的評估

特殊催化體系

1.電催化。使用獨(dú)特的模型可以在電場存在的情況下研究金屬電極表面的反應(yīng)機(jī)理，預(yù)測催化活性

2.光催化。研究表面能級和催化底物能級之間的排列，以及它們之間的電荷轉(zhuǎn)移可能性，探索光催化機(jī)理

 

催化反應(yīng)特征

催化反應(yīng)有四個基本特征，可以根據(jù)定義導(dǎo)出，對了解催化劑的功能很重要。

1、催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進(jìn)行的反應(yīng)。要求開發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)催化劑時，首先要對反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，看它是否是熱力學(xué)上可行的反應(yīng)。

2、催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改變反應(yīng)的平衡位置（平衡常數(shù)）。

3、催化劑對反應(yīng)具有選擇性，當(dāng)反應(yīng)可能有一個以上不同方向時，催化劑僅加速其中一種，促進(jìn)反應(yīng)速率和選擇性是統(tǒng)一的。

4、催化劑的壽命。催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)速率，在理想情況下催化劑不為反應(yīng)所改變。但在實(shí)際反應(yīng)過程中，催化劑長期受熱和化學(xué)作用，也會發(fā)生一些不可逆的物理化學(xué)變化。

根據(jù)催化劑的定義和特征分析，有三種重要的催化劑指標(biāo)：活性、選擇性、穩(wěn)定性。

 

 

催化劑組成

絕大多數(shù)催化劑有三類可以區(qū)分的組分：活性組分、載體、助催化劑。

活性組分

活性組分是催化劑的主要成分，有時由一種物質(zhì)組成，有時由多種物質(zhì)組成。

活性組分分類：

類別	導(dǎo)電性（反應(yīng)類型）	催化反應(yīng)舉例
金屬	導(dǎo)電體（氧化反應(yīng)，還原反應(yīng)）	選擇性加氫；選擇性氫解；選擇性氧化
過渡金屬氧化物、硫化物	半導(dǎo)體（氧化還原）	選擇性加氫、脫氫；氫解；氧化
非過渡元素氧化物	絕緣體（碳離子反應(yīng)，酸堿反應(yīng)）	聚合、異構(gòu)；裂化；脫水

 

載體

載體是催化活性組分的分散劑、黏合劑或支撐體，是負(fù)載活性組分的骨架。將活性組分、助催化劑組分負(fù)載于載體上所制得的催化劑成為負(fù)載型催化劑。

常用載體的類型：低比表面積的有：剛玉、碳化硅、浮石、硅藻土、石棉、耐火磚；高比表面積的有：氧化鋁、SiO2-Al2O3、鐵礬土、白土、氧化鎂、硅膠、活性炭。

助催化劑

助催化劑是加入到催化劑中的少量物質(zhì)，是催化劑的輔助成分，其本身沒有活性或者活性很小，但是它們加入到催化劑中后，可以改變催化劑的化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、離子價(jià)態(tài)、酸堿性、晶格結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、分散狀態(tài)、機(jī)械強(qiáng)度等，從而提高催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性和壽命。