非均相催化是指催化劑的相態(tài)與試劑或產(chǎn)物的相態(tài)不同的催化過(guò)程。該過(guò)程與均相催化不同，均相催化中試劑、產(chǎn)物和催化劑存在于同一相中。相態(tài)不僅區(qū)分固體、液體和氣體成分，還區(qū)分不混溶混合物（例如油和水）或任何存在界面的地方。

       非均相催化通常涉及固相催化劑和氣相反應(yīng)物。在這種情況下，催化劑表面會(huì)發(fā)生分子吸附、反應(yīng)和解吸的循環(huán)。熱力學(xué)、傳質(zhì)和傳熱會(huì)影響反應(yīng)速率（動(dòng)力學(xué)）。

合成氨(NH₃)過(guò)程中使用催化劑的工藝流程圖

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       本文通過(guò)以下幾點(diǎn)介紹非均相催化原理與相關(guān)反應(yīng)：

       1. 吸附

       2. 表面反應(yīng)

       3. 催化劑設(shè)計(jì)

       4. 催化劑失活

       5. 麥克林催化劑試劑及衍生產(chǎn)品介紹

吸附

       吸附是異相催化中必不可少的步驟。吸附是氣相（或溶液）分子（吸附物）與固體（或液體）表面原子（吸附劑）結(jié)合的過(guò)程。吸附的逆過(guò)程是解吸，即吸附物從吸附劑上分離。在異相催化促進(jìn)的反應(yīng)中，催化劑是吸附劑，反應(yīng)物是吸附物。

       吸附有兩種類型：物理吸附（弱結(jié)合吸附）和化學(xué)吸附（強(qiáng)結(jié)合吸附）。非均相催化中的許多過(guò)程介于這兩種極端之間。Lennard -Jones 模型提供了一個(gè)基本框架，用于預(yù)測(cè)分子相互作用與原子分離的關(guān)系。

      1. 物理吸附

       在物理吸附中，分子通過(guò)范德華力被表面原子吸引。這些力包括偶極-偶極相互作用、誘導(dǎo)偶極相互作用和倫敦色散力。注意，吸附質(zhì)和吸附劑之間沒(méi)有形成化學(xué)鍵，它們的電子態(tài)保持相對(duì)不受干擾。物理吸附的典型能量為 3 至 10 kcal/mol。在異相催化中，當(dāng)反應(yīng)物分子物理吸附到催化劑上時(shí)，通常說(shuō)它處于前體狀態(tài)，即化學(xué)吸附之前的中間能態(tài)，即更強(qiáng)的結(jié)合吸附。從前體狀態(tài)開(kāi)始，分子可以發(fā)生化學(xué)吸附、解吸或在表面遷移。前體狀態(tài)的性質(zhì)會(huì)影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

      2. 化學(xué)吸附

       當(dāng)分子足夠接近表面原子，以至于它們的電子云重疊時(shí)，就會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附。在化學(xué)吸附中，吸附質(zhì)和吸附劑共享電子，表示形成化學(xué)鍵?；瘜W(xué)吸附的典型能量范圍為 20 至 100 kcal/mol。化學(xué)吸附的兩種情況是：

       ·  分子吸附：吸附物保持完整。一個(gè)例子是鉑與烯烴的結(jié)合。

       ·  解離吸附：吸附時(shí)一個(gè)或多個(gè)鍵斷裂。在這種情況下，解離障礙會(huì)影響吸附速率。一個(gè)例子是 H2 與金屬催化劑的結(jié)合，其中 HH 鍵在吸附時(shí)斷裂。

表面反應(yīng)

       大多數(shù)金屬表面反應(yīng)都是通過(guò)鏈增長(zhǎng)反應(yīng)發(fā)生的，其中催化中間體循環(huán)產(chǎn)生和消耗。表面反應(yīng)的兩種主要機(jī)制可以描述為 A + B → C。

      ·   Langmuir–Hinshelwood 機(jī)理：反應(yīng)物分子 A 和 B 均吸附在催化表面。吸附在表面時(shí)，它們結(jié)合形成產(chǎn)物 C，然后產(chǎn)物 C 解吸。

      ·   Eley–Rideal 機(jī)理：一種反應(yīng)物分子 A 吸附在催化表面。B 不吸附，而是與被吸附的 A 發(fā)生反應(yīng)，生成 C，然后 C 從表面解吸。

       大多數(shù)非均相催化反應(yīng)可用 Langmuir-Hinshelwood 模型描述。

       在異相催化中，反應(yīng)物從本體流體相擴(kuò)散到催化劑表面吸附。吸附位點(diǎn)并不總是活性催化劑位點(diǎn)，因此反應(yīng)物分子必須穿過(guò)表面遷移到活性位點(diǎn)。在活性位點(diǎn)，反應(yīng)物分子將通過(guò)催化中間體以更輕松的路徑發(fā)生反應(yīng)形成產(chǎn)物分子（見(jiàn)下圖）。然后產(chǎn)物分子從表面解吸并擴(kuò)散。催化劑本身保持完整并可自由介導(dǎo)進(jìn)一步的反應(yīng)。諸如傳熱和傳質(zhì)等傳輸現(xiàn)象也會(huì)影響觀察到的反應(yīng)速率。

反應(yīng)坐標(biāo)。（A）未催化（B）催化（C）用離散中間體（過(guò)渡態(tài)）催化

催化劑設(shè)計(jì)

      催化劑并不是整個(gè)表面都對(duì)反應(yīng)物有活性，只有特定位置才具有催化活性，這些位置稱為活性位點(diǎn)。固體催化劑的表面積對(duì)可用的活性位點(diǎn)數(shù)量有很大影響。在工業(yè)實(shí)踐中，固體催化劑往往是多孔的，以最大限度地增加表面積，一般可達(dá)到 50-400 平方米/克。一些中孔硅酸鹽，如 MCM-41，的表面積大于 1000 平方米/克。多孔材料由于其高表面積與質(zhì)量比和增強(qiáng)的催化活性而具有成本效益。

       在許多情況下，固體催化劑分散在支撐材料上以增加表面積（增加活性位點(diǎn)數(shù)量）并提供穩(wěn)定性。通常，催化劑載體是惰性的高熔點(diǎn)材料，但它們本身也可以具有催化作用。大多數(shù)催化劑載體是多孔的（通常是碳、二氧化硅、沸石或氧化鋁基），選擇這些載體是因?yàn)樗鼈兊谋砻娣e與質(zhì)量比高。對(duì)于給定的反應(yīng)，必須選擇多孔載體，以使反應(yīng)物和產(chǎn)物能夠進(jìn)出材料。

沸石結(jié)構(gòu)。加氫裂化中常見(jiàn)的催化劑載體材料，還可作為烴烷基化和異構(gòu)化的催化劑

       通常，人們會(huì)有意將物質(zhì)添加到反應(yīng)原料或催化劑中，以影響催化活性、選擇性和/或穩(wěn)定性。這些化合物稱為促進(jìn)劑。例如，在氨合成過(guò)程中會(huì)添加氧化鋁 (Al2O3)，以通過(guò)減緩 Fe 催化劑上的燒結(jié)過(guò)程來(lái)提供更高的穩(wěn)定性。

在氨水中，用雷尼鎳催化劑和氫氣合成苯乙胺時(shí)，腈的還原作用

催化劑失活

       催化劑失活定義為催化活性和/或選擇性隨時(shí)間的損失。

       降低反應(yīng)速率的物質(zhì)稱為毒物。毒物會(huì)化學(xué)吸附在催化劑表面，減少反應(yīng)物分子可結(jié)合的活性位點(diǎn)數(shù)量。常見(jiàn)的毒物包括第 V、VI 和 VII 族元素（如 S、O、P、Cl），某些有毒金屬（如 As、Pb），以及具有多重鍵的吸附物質(zhì)（如 CO、不飽和烴）。例如，硫會(huì)毒害 Cu/ZnO 催化劑，從而破壞甲醇的生產(chǎn)。提高反應(yīng)速率的物質(zhì)稱為促進(jìn)劑。例如，在氨合成中堿金屬的存在會(huì)增加N2解離的速率。

       毒物和促進(jìn)劑的存在會(huì)改變限速步驟的活化能，并影響催化劑對(duì)某些產(chǎn)物形成的選擇性。根據(jù)物質(zhì)的量，它對(duì)化學(xué)過(guò)程可能是有利的，也可能是不利的。例如，在乙烯生產(chǎn)中，少量的化學(xué)吸附氯將通過(guò)提高銀催化劑對(duì)乙烯而非二氧化碳的選擇性來(lái)充當(dāng)促進(jìn)劑，而過(guò)多的氯則會(huì)充當(dāng)毒物。

       催化劑失活的其他機(jī)制包括：

      ·  燒結(jié)：加熱時(shí)，分散的催化金屬顆?？梢赃w移到載體表面并形成晶體。這導(dǎo)致催化劑表面積減少。

      ·  結(jié)垢：流體相中的物質(zhì)沉積到固相催化劑和/或載體表面。這會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)和/或孔隙堵塞。

      ·  結(jié)焦：由于碳?xì)浠衔锏姆纸?，富含碳的重質(zhì)固體沉積在表面

      ·  氣-固反應(yīng)：形成不活性的表面層和/或形成揮發(fā)性化合物并從反應(yīng)器中逸出。這會(huì)導(dǎo)致表面積和/或催化劑材料的損失。

      ·   固態(tài)轉(zhuǎn)變：催化劑載體原子固態(tài)擴(kuò)散到表面，隨后發(fā)生反應(yīng)形成非活性相。這導(dǎo)致催化劑表面積損失。

      ·  侵蝕：流化床反應(yīng)器中常見(jiàn)的催化劑材料持續(xù)磨損。這會(huì)導(dǎo)致催化劑材料的損失。

麥克林催化劑試劑及相關(guān)產(chǎn)品介紹

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        2. 純度等級(jí)高

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【實(shí)驗(yàn)用催化劑試劑產(chǎn)品專題頁(yè)】

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