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我们从今天开始将给大家讲一下

催化剂设计与制备这门课程

我是中国石油大学化工学院的老师

我叫吴志杰

在讲这门课程之前我们要求大家

有一定的理论基础

比如说我们这门课程的修读基础

要求首先要学过一部分的

催化原理或者工业催化相关的课程

同时我们要求大家起码要学过

四大基础化学

无机化学 物理化学

有机化学和分析化学等

还希望大家了解一些关于

无机固体化学 无机固体表面化学

因为我们还会涉及到一些仪器的表征分析内容

所以还要有一些仪器分析的知识

我们这门课程所述催剂制备的内容

主要是涉及到无机合成这门课程

所以我们还要求大家对无机合成化学

这门课的基本概念有一定的了解

至于我们这门课程的参考资料

给大家推荐了一些参考书

这里我们会事先给大家讲明

我们很多的参考资料

是参考借鉴的德国马普研究所的一个课程

现代多相催化的研究方法

大家如果课后感兴趣的话

可以上马普所的网站看一下这门课程

里面有从01年到我们现在

2018年所有的网络课件

然后具体到我们参考书方面的资料

我们主要参考借鉴了以上书籍

我们中文参考书中有一本非常经典的书

是陈诵英老师编写的

固体催化剂制备原理与技术这本书

还有荷兰的一个催化领域的领军人物德容(de Jong)科学家

写的一本固体催化剂的合成

这本书2014年中国石化出版社已经出版了一个翻译版

另一方面的话有一本比较科普(基础)的书的是

高胜利老师编写的无机合成化学简明教程

里面会讲到无机合成化学的一些参考的资料

进一步的拓展资料可用于阅读的是

2000年出版的一本非常经典的

关于氧化物化学和氧化物合成的书籍

主要是讲的是怎么从溶液化学

到固态氧化物的生产的过程

然后还有2007年诺贝尔化学奖得主德国的

也是马普所的艾特(Ertl)科学家

主编的这本叫做多相催化手册

我们在讲这门课程有很多的基本概念

可以参考下我刚刚出版的这本书

是能源转化催化原理的一个课程

我们这门课程的内容安排

将分为八章的内容进行讲授

其中跟我们催化剂设计相关的内容

是我们的第一章和第二章的内容

也就是说我们第一章绪论会给大家讲一下

催化相关的最基本的概念

然后到了第二章

会讲基本概念或者基本原理应用

如何用于催化剂设计

然后从第三章开始到第八章

都是关于催化剂制备原理方面的内容

既有包括催化材料的制备

也包括工业催化剂的制备过程

还包括催化剂后续的活化过程

或者催化剂成型的方法

我们今天要给大家讲的是第一章的内容 就是绪论部分

然后具体讲到催化剂设计与制备这门课程

我们首先看一下这门课程的名称

叫催化剂设计和催化剂制备

那么我们这里面给大家讲的设计和制备的内容指的是什么

要知道如果这里我们有些同学关注

催化剂设计方面的研究 应该知道

催化剂设计实际上是一门非常深奥的科学

但是我们这门课只有大概48学时的时间

大概会分出16学时来讲授催化剂设计

所以 很显然我们这里的催化剂设计内容只能讲的是

非常初步的概念应用

也就是说 介绍如何利用催化基本原理

来设计催化材料或催化剂的活性位

或催化剂的载体等等这方面内容

所以接下来看一下我们

具体指的催化剂设计和制备的内容我们主要讲什么

我们这里举一个最简单的例子说明

就是一个在我们能源化工领域

应用最广泛的一个案例

合成气制化学品的例子

我们这里指的催化剂设计

实际上指的是我们利用催化的最基本的一个理论

比如说我们用了金属催化里面的

多位理论 价键理论和能带理论

来考察我们合成气加氢反应催化剂金属活性组分

对一氧化碳的解离能力

以此为基础的 可以发现

我们把金属的分类

从第VIB副族、第VIIB副族

到第VIII族还有第IB副族的趋势看

看看各族金属对CO的解离能力我们可以发现

元素周期表从左往右或者从上往下

它呈现出规律性的变化

为什么会有这种规律性的变化

实际上可以用我后面会给大家介绍到的理论解释

我们可以用能带理论价键理论 多位理论来解释

而我们之前给大家讲了

我们这门课讲催化剂设计的内容

实际上是一个最初步的介绍 就是

依据这些最基本的原理

来指导 给出一个催化剂活性组分的筛选或设计的依据

比如说我们在王野教授发表

在催化进展(Advances in Catalysis)书上的章节里面提到

总结的一个

在合成气制化学品的过程中

不同金属解离CO活性表格的用途

实际上这些用途

比如说 具体到我们看到表格里铁钴钌

是我们费-拖合成

也就是合成气制合成油的最经典的催化活性金属

那它们为什么会有如此优异的活性 比如说铁

主要适合于(合成)汽油组分

然后钴适合合成柴油组分

还有钌既适合于气油组分又适合于柴油组分的合成

为什么会有这样的现象

我们都知道特别是我们如果学过石油相关知识都知道

汽油的组成是C5到C12

柴油组成是C12以上

也就是说铁钴的适用范围

它存在一个本质区别是什么

两种金属C-C键的链增长能力是不一样

而且C-C键的链增长能力跟催化剂什么性质有关系

就是跟我们后续要讲到的基本理论相关

可以通过金属催化的基本理论来得到一个推断

所以总结起来的话 我们这门课

关于催化剂的设计

实际上是一个很简单的

一个非常初步的

直接依据催化的基本原理

来筛选得到合适的活性组分

当然我们也可以扩展到催化剂其它组成

比如负载型催化剂应该采用什么样的载体

如果有助剂的催化剂

我们应该采用什么样的助剂

所以我们进行催化剂设计主要的依据是什么

就是传统的

大家在之前学过的

工业催化或催化原理里面的基本原理

将其用来指导我们的设计

然后另一方面的话我们再看一下催化剂制备的内容

我们同样以合成气制化学品为例

给大家介绍一下

我们要进行催化剂的制备课程介绍的话

我们指的是什么内容

比如说我们刚才讲的铁钴钌

是用于费-托制合成油的反应

那么该反应还可以制一些其它化学品

比如说我们可以看到

可以用镍来合成液化天然气

就是甲烷

也可以用铑来合成乙醇

或是C2以上的含氧化物

钯和铜是合成甲醇的催化剂

为什么会是这样

我们可以通过这张表看到

比如说这些蓝色区域的金属铜、钯、铂、铱

基本上是可以看到它们基本上没有

C-O键的离解能力

所以它比较容易得到什么产物？

比较容易得到含氧的一个化合物

那么我们讲了催化剂制备

我们以一个合成甲醇的工业上用的最广的催化剂

铜催化剂为例

下面 我们要做的催化剂制备内容介绍

或者我们这门课要讲的催化剂制备

指的是哪部分的内容

我们指的是通过基本原理筛选

知道铜是一个最好的活性组分

甲醇合成活性组分

那么我们催化剂制备的内容

主要讲了我们要采用什么样的方法

或者采用什么样的具体制备方法

来得到最高活性的铜

所以我们讲授催化剂制备的内容

是包含了铜催化剂的一个制备化学

基本上是从无机化学的角度来阐述的

也就是我们要求大家要有一定的

无机合成化学的基础知识的要求

所以我们最终总结起来的话

就是可以通过这张图给大家总结一下

催化剂的设计与制备讲了什么样内容

比如说我们以合成甲醇为例的话

前面讲我们根据催化基本原理知道

铜是一个最好的催化剂

然后我们还可以根据

活性组分和载体之间

强相互作用的原理

我们可以设计催化剂

比如说 当铜

和氧化锌组合

它们的粒径如果相匹配 就是粒径很接近的时候

可能会产生一个协同效应

所以这就要求

我们从催化剂设计角度提出制备要求

金属铜或者氧化锌

应该都是一个纳米级别颗粒

颗粒与颗粒之间的混合

而且两者之间要存在一定的相互作用

然后要实现这个效果的话

反推到我们催化剂制备

我们就要求

要考虑怎么样

想要什么合适的制备方法 什么样制备原料

来得到我们目标的催化剂

比如我们工业上用到铜基催化剂

通过大量实验筛选发现

铜盐或锌盐里面用的硝酸盐是最好的

然后选择制备方法

我们不能采用机械混合或者机械研磨的方法

我们工业实践证明了共沉淀方法是一个最好的方法

同时 这种共沉淀操作

我们一般要用我们无机化学经常讲的

一个酸碱滴定实验

然后我们要选择一个碱性的滴定剂

而这碱性的滴定剂

我们还发现

科学家通过实验证明了 采用什么滴定剂最好

用碳酸盐实际上效果比较好的

同时我们要实现前述这种协同效应

还有一个重要过程 是什么呢？

催化剂组成需要匹配

比如说我们工业上

发现铜和锌正好是在70:30的时候

是一个最好的匹配

这是我们所讲的整个催化剂的一个大致制备过程

大家看到我们这沉淀过程实际上就是

我们经常讲的 无机化学领域的一个溶液合成

而这个合成的原理就是我们

后面要给大家讲的

催化剂制备的一个主要内容

除此之外

我们还要知道催化剂制备

并不是说在溶液里面把它合成出来了

完成了制备工作了

我们还要考虑到什么

我们合成完以后

我们还要考虑后处理

比如说我们

怎么把它进行干燥

把它进行焙烧

然后再还原的过程

这个焙烧还原的过程

也会影响到整个活性组分的分布状态或者催化性能

所以通过这张幻灯片片子

大家可以看到本门课程的一个特点 就是

催化剂设计和制备是息息相关的

也就是说 我们是先有了催化剂设计

就知道催化剂需要什么样的物性或是指标要求

它反过来要求我们催化剂制备的方法

或者是制备的最佳条件

所以我们整个课程

也是从头开始就先讲催化剂设计部分

然后再讲催化剂制备的过程