Video慕课视频播放-催化剂设计与制备-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

在催化剂设计领域要得到

真正的微观或介观尺度的设计我们要考虑到的是

微观和宏观动力学的区别

我们这里给大家

举的一个例子是一个

水蒸气变换反应的动力学就是工业上

水汽变换反应就是把甲烷重整制成氢气涉及的

因为甲烷会生成一部分副产物就是一个氧化碳

一氧化碳要把它变成二氧化碳除掉

这个就是非常典型的水汽变换反应

这水汽变化反应工业上经常用到的是

指数定律的宏观动力学

也就是说把反应速率等于它反应的指前因子

乘以它反应的表观活化能

然后除以RT的指数函数

然后再乘以反应物或产物的分压的指数

比如说二氧化碳分压 α二氧化碳次方水分压α水次方

一氧化碳分压α一氧化碳次方

还有氢气分压α氢气次方等等

而微观反应动力学它不看这个宏观的状态

它看的是什么呢

它会去研究每个基元反应步骤的过程

比如说它会考虑到

一个水分子在催化剂表面它怎么样活化

怎么样吸附

一氧化碳怎么样活化怎么样吸附

二氧化碳还有氢气怎么活化吸附的过程

活化完以后表面吸附物种的反应

比如说表面吸附了一个水

它会在表面进行解离生成一个吸附羟基和氢原子

这吸附的氢原子就生成氢气

吸附的羟基会再进一步反应

可以生成水

也可以提供氧等

所以把所有的基元反应步骤

一步一步的解析

然后去考察哪个步骤的相对的速率常数的快慢

就可以得到本征的反应动力学

这种宏观和微观的反应动力学对比

我们这里可以给出一张表格对比

根据那个表格可以看出

这个圆圈点是指微观动力学模型得到的结果

黑色三角形是指宏观动力学得到的结果

你们会看到它们存在很大的偏差

也就是说宏观动力学和微观动力学的反差是存在的

不同的结果要解决问题是不一样

宏观动力学就要考虑到

基元反应步骤本身的活性还要考虑到传质传热的影响

而微观动力学

只考虑到表面的反应

很显然得到结果是不一样的

我们之所以给大家讲这个

回归到我们前面讲了催化剂的设计是介观领域

我们还讲了介观领域

有时候是要考虑到传质传热的影响

所以我们可以把它归因于宏观动力学

所以一般催化剂的粉末粉末成型的催化剂

它的动力学研究会考虑到什么

不仅要考虑到活性选择性还有传质的影响

而我们的微观实际上指的

是排除传质影响只看活性位的设计就是

活性和选择性

所以通过这个PPT

你们可以看一下

我们讲了一个微观动力学和宏观动力学

它们针对的催化剂的设计

应该是有什么样的区别

我们可以看一下是什么

成型催化剂的宏观动力学

宏观动力学适用于成型催化剂

所谓的成型催化剂是指可以直接用于工业生产

实际工业应用领域一般指的是工业催化剂设计

所以工业催化剂里面设计里面用的最多的是

宏观动力学的考察

而微观动力学我们讲了什么

因为没有考虑到传质的影响只考虑到活性位

所以微观动力学一般讲的是活性位的设计过程

我们在催化领域有两个最基本概念

一个叫催化材料一个叫催化剂

大家可以从最基本的定义体会一下

催化材料和催化剂有什么样的区别

然后再来看一下

这里面哪个是属于催化剂哪个属于催化材料

很显然活性位的设计肯定是属于

催化材料的设计和开发

因为通过活性位设计可以找到一个合适的活性组分

但只能说它有可能作为

某个反应的一个好的合适的催化材料的一个候选

但是不能说

得到就是一个合适催化剂因为成型催化剂

还要考虑到实际的工业生产

所以最终我们把

催化剂多尺度的角度范围

扩展到催化剂设计的内容

它包含两个内涵

一个内涵是催化剂活性位的设计

一个是成型催化剂的设计

而活性位设计指的是一个催化材料用于催化剂的开发过程

而成型催化剂

就是真正意义上讲述了催化剂的制备

我们讲了催化剂的制备和催化剂的开发

那我们要注意在催化原理工业催化里面

经常能够混淆的两个概念

因为在有些催化教科书里面

讲到催化剂活性的高低

催化剂活性位的活性高低它教科书把它们混淆了等同了

实际上今天这门课要告诉大家的就是

如果从催化剂多尺度的角度去分析

可以看到一个特点就是

催化剂开发和催化剂制备

它们适用的活性的定义是不一样的

或者更确切更准确的表达形式是什么

显然评价指标是不一样的

比如活性位的设计指标一般用的是

转换频率就是我们经常讲的TOF值

或是转化速率或者TOR值

它强调的是

单个活性位单位时间内催化反应的是次数

大家一定要注意

它指的是单个活性位

这个是单位的时间

而催化剂的活性

大家如果是做工业来自企业界的同学

可能会有更深刻的印象就是

催化剂制备

就是按经济效益好坏评价的催化剂有的时候是按吨卖

按重量卖或者有时候按体积卖

比如说脱硝催化剂可能更多的是按体积卖

我们讲的比如说一个

固定床催化剂有的是按

催化剂的装填体积卖的

有些时候也有可能按质量卖的

工业催化界的人士更关心的是

单位质量或单位体积的转化的反应物数目也就是说

单位质量和单位体积催化剂转化反应物的效率

有时候汽车尾气催化剂还要考虑

单位表面积的活性

很多时候早期科学家把它当作

把单位表面积的活性叫做催化剂的比活性

那我们来看一下这两个指标的区别吧

实际上两者有很显著的区别你们会看到

因为单个活性位仅仅考虑活性位会本身的效果

单位质量单位体积

它包含的内容很多

比如说这个单位质量

一个催化剂比如一克催化剂里面活性位数目

也会对它活性有影响

活性位的数目也会对活性有影响

很显然这需要我们去考虑

催化剂的用量还要考虑

催化剂孔对传质的影响

所以催化剂制备和催化剂开发

它是两种不同的完全不同范畴

大家一定要把它两者分开讨论

你要明白你自己做的是从事催化剂制备的研究工作者

还是催化剂开发的研究者

这两种说法

虽然在很多的文献里面或者一些

报道里面都会讲催化剂的开发与制备

或催化剂的设计开发与制备

实际上如果从这门课内容来区分实际上它们两者包含的

涵义是不一样的

就是说催化剂开发更多侧重的是一个活性位的设计过程

催化剂的制备

更多的讲的是一个催化剂经济效益

这个是要求大家要掌握的

掌握的最重要的区别点

那么在讲新内容之前

我们就要有必要给大家讲就是为什么强调大家要

掌握催化作用的基本概念

实际上就体现在这里

这里涉及催化剂开发时的TOF值

涉及催化剂制备时候用单位质量单位体积的活性

转化原料的数目

我们经常讲催化作用的定义是催化剂能够加快反应速率

改变反应速率的程度就是催化剂的活性

那我们上面提到的这两种说法哪一种是催化剂的活性

这就是我们要给大家讲的下节内容就是

如何来定义催化剂的活性和选择性

所以我们下面将给大家讲一下

催化剂的活性与选择性的内容

催化剂设计与制备课程列表：

课程简介

-课程简介

--课程简介

第一章绪论

-绪论

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-1.1 催化剂设计的尺度

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-1.1 催化剂设计的尺度--作业

-1.2 催化剂的活性与选择性

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-1.2 催化剂的活性与选择性--作业

-1.3 多相催化反应本征动力学

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-1.3 多相催化反应本征动力学--作业

-1.4 工业催化剂设计概述

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第二章催化剂的设计

-2.0 引言

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-2.1 催化作用基本概念与催化剂设计

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-2.1 催化作用基本概念与催化剂设计--作业

-2.2 催化剂设计的程序

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-2.2 催化剂设计的程序--作业

-2.3 催化剂各组分的设计

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-2.3 催化剂各组分的设计--作业

-2.4 催化剂宏观物性的选择

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-2.4 催化剂宏观物性的选择--作业

-2.5 工业催化剂筛选与设计实例

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-2.5 工业催化剂筛选与设计实例--作业

第三章催化剂制备的理论基础

-3.1 软化学 (Soft Chemistry)

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-3.2 组合化学(Combinational Chemistry)

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-3.3 化学热力学与无机合成

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-3.3 化学热力学与无机合成--作业

第四章氧化物载体和催化剂的制备

-4.1 催化材料和催化剂制备方法简介

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-4.2 氧化物催化材料制备基础

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-4.2 氧化物催化材料制备基础--作业

-4.3 氧化物载体和催化剂的制备方法

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-4.3 氧化物载体和催化剂的制备方法--作业

第五章负载型催化剂的制备

-5.1 负载型催化剂简介

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-5.2 负载型催化剂制备基础

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-5.3 负载型催化剂的制备方法

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-5.3 负载型催化剂的制备方法--作业

第六章催化剂的活化

-6.1 简介

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-6.2 过滤与洗涤

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-6.3 干燥

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-6.4 焙烧

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-6.5 还原

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-6.5 还原--作业

第七章特殊催化剂及其制备方法

-7.1 骨架催化剂

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-7.2 化学置换法制备金属催化剂

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-7.3 液相化学还原法制备金属催化剂

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-7.4 等离子辅助制备催化剂

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-7.5 混合法

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-7.6 膜催化材料

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第八章催化剂的成型

-8.1 绪论

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-8.2 工业催化剂成型

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