Video在线视频

我们接下来继续讲第二章第二小节的内容

是关于催化剂的设计程序的内容

首先 我们来看一下催化剂设计要经过哪些的程序

这里给大家介绍的是传统工业催化剂

从提出新的反应到使用工业催化剂

它需要走的什么样的程序设计

所首先来看一下 催化剂设计的一般程序

然后在确定程序基础上

我们会继续给大家讲一下

从热力学的分析是怎么考虑的

初始的催化剂选择是基于什么考虑的

还有反应机理分析的方法和方式

我们首先来看一下催化剂设计的一般程序

催化剂 我们前面给大家讲了

第一个提出催化剂设计是

英国科学家Dowden提出了催化剂程序设计图

我们现在来看这张图是一个非常简单的

我们提出一个目标反应

首先要进行它的化学计量的分析

看到它能够产出多少的物质

基于化学计量考虑热力学的计算

反应能不能够进行 平衡收率是多少

在此基础上进一步通过反应机理的分析

在没有催化剂条件下

它可能以什么反应机理进行

有催化剂的反应条件下 它以什么样反应机理进行

最终确定一个合适的反应途径

也就是说 我们想要采用合适的催化剂

确定催化剂初选的活性组分

然后再进行催化剂性质的研究

也是构效关系的研究

最终得到 确定最终的催化剂材料

推荐出催化剂

所以 这个过程是看起是比较符合逻辑性的连贯过程

除了Dowden我们刚才说了

1968年 同时日本科学家米田幸夫

提出了一个更加实用化或是详细的设计过程

我们可以看一下同样的过程

就是给出目标反应物

然后同时有一个热力学的分析

同时他还增加了经济性的考量

我们在要什么样的条件下

才能得到有意义的反应结果

从这个角度上讲的话

他应该比Dowden是更有针对性的

针对工业化的反应

在此基础上才提出虚拟的反应机理

如果这个反应是一个比较复杂的反应

我们还会一般会说

要把这个反应分解为各个部分

把它分解为哪些个反应是主反应

哪个反应是不需要的 是我们需要抑制

然后在单独的进行各个反应热力学和动力学的考察

最终根据这些主反应和不需要反应

动力学和热力学考察的结果

我们才能够确定有关的合适的催化剂的组成部分

根据这个来研究催化剂的性质

最终的话我们掌握了催化剂的各个组成

比如说 我们要采用什么样的活性组分 助剂

还采用什么样的载体

在此基础上才会完成组成总的反应

就是把所有前面确定的物质

在总的反应里面再进行反应考察

然后再探索

配对出合适的催化剂的组成

然后才是试制催化剂　再把它进行优化

同时结合前面讲 在特定条件

要求反应条件 来优化催化剂 来改进催化剂

最终形成新的工艺操作

所以 米田幸夫提出这个流程的话

是一个更加精细的也更加实用化的基础路线

这是1968年两个科学家提出的催化剂设计的程序

到了1980年澳大利亚科学家Trimm

也进一步总结了一个新的程序过程

这个过程跟前面的过程

就是米田幸夫的过程是比较类似的　

它也是非常具体化了思路

而且他结合了当时比较最新的研究进展

毕竟从68年到80年

当时是整个催化学科发展的非常迅速的年代

特别是表面 原位表征技术进入到催化领域

所以Trimm提出的是一个更有针对性的或者更通用的方法

当时首次提出了

在80年首次提出是环保的影响因素

这也是现代催化剂制备过程中要考虑的

因为我们现在对环保要求是越来越严格了

所以 我们设定反应路线或者催化剂制备

都要考虑到环保

然后对于一个针对的反应

我们投资首先要经过经济和技术的评价

写出反应的过程来确定反应的类型

在此基础上结合最新研进展

确定当时就可以确定大多数反应过程

然后依次来选择催化剂的活性模型

配合物性还有吸附热等等这些指标

最终得到活性模型 那个次要组分

选择次要组分根据经验法

根据机械模型法进行对比

确定催化剂的最佳结构

有很多的活性组分或者次要组分可供选择时

我们要怎么确定组成

这个时候我们就要筛选 就是确定最佳的合成方法

这时候我们得到的结果一般往往跟机械模仿法相比较

所谓的机械模仿法就是定好这些活性组分

载体 次要组分 通过不同配比

用研磨机磨合制备的方法

同时 还要根据不同的制备方法进行对比

确定催化剂最佳的制备方法

确定结构以后再进行载体

物理性能和反应器的选择

最终得到催化剂的优化

这个过程相对于米田幸夫的程序来说

也是一个比较简化的过程

我们来分析一下

整个催化剂设计的一般程序里面这三个程序

有什么共同点和区别

可以看到最主要区别是

他们Dowden是非常笼统的概念

而米田幸夫和Trimm是具体的细节

就是具体设计的程序和思路

实际上我们更应该关注的是催化剂设计程序的共同点

我们来看一下 共同点有哪些过程

我们来看一下 比如说我们要得到一个

生物质原料制二甲苯的催化剂

这些过程 我们看这是一个没有出现的技术路线

比如说要用甘油

要用葡萄糖变成果糖再变成DMF

再用什么物质跟乙烯反应

然后得到对二甲苯

这是一个新的反应

反应的过程中会涉及到什么类型反应

我们刚刚说的它是一个新反应

米田幸夫虽然说很早就提出了

要把它新反应分解成不同反应

如果按照米田幸夫的思路是很有意义

因为这是一个连锁反应

要看催化剂我们肯定是从葡萄糖开始研究

葡萄糖要分解

首先要得到果糖 最好的催化剂的筛选

然后果糖到DMF最好的筛选

从DMF到中间体最好的筛选

然后再跟乙烯反应最好的筛选

每一步筛选的过程我们还考虑到它的经济性能

从这一步到这一步它是否有损失

这一步到这一步是否有损失收率

这一步到这一步是否有损失

这个新工艺就要求非常具体非常明确的思路

而且要考虑到一个特点

可能这些过程需要一个什么类型催化剂

需要酸催化剂

可能这个时候我们就需要一个金属催化剂

因为我们还需要加氢的过程

然后这个时候要用酸催化剂

催化剂怎么进行的耦合

进行匹配

要每个步骤都要能使用

所有的事反应都仅用一个催化剂

我们有酸催化剂

有金属催化剂

金属和酸组合成为双功能催化剂

直接一个双功能催化剂就能解决这样一个问题

对于这个新的工艺我们还要想怎么进行开发

这也是我们为什么要给大家介绍催化剂设计的基本程序

这个一般程序

大家不要看 我们的设计程序已经在1968年就提出来了

实际上 随着很多的新原料出现

这催化剂设计程序还有很多的借鉴意义

所以 我们来总结一下

我们前面讲的催化剂设计程序它的共同点

我不知道大家有没有去注意这三个程序

有个非常重要的共同点是

首先比如说Trimm 还有米田幸夫都讲到

热力学分析是非常重要的

Dowden也提到了

所有反应过程中是否有工业化应用前景

或是否有新工艺

我们首先就要算热力学计算

如果在热力学最优的条件下达到了最大的收率

都没有经济意义

那我们做这个工艺或开发这催化剂是没有任何意义的

所以 任何时候都要把热力学的计算放在第一位

然后如果是一个新工艺

还都是提到初始催化剂的确定

就说最开始应该采用什么样的合适的催化剂

一般的话我们前面给大家讲了 比如米田幸夫

还有Trimm都提到了写出反应历程

然后根据反应机理来确定筛选活性组分

都是根据前面的研究成果

所以 这个时候对于初始催化剂的确定

就体现在催化相关的基本知识基本理解理解和应用的过程

然终还有一点就是我们会发现反应机理的研究是非常重要

通过反应机理来确定催化剂的性质

我们可以看到

催化剂设计的过程是针对新反应要设计催化剂

有三个主要工作任务

首先是热力学计算

这个我相信

这个过程是非催化过程

我们要求大家要具备一定的物理化学和热力学的基础

初始催化剂的设定

催化剂基本原理的应用过程

反应机理研究实际上也是催化剂基本原理概念的应用过程

当然 还有催化剂的性质

就是我们说的确定性质 研究性质 是催化剂的设计制备

特别是制备过程 怎么来控制它物性的研究

所以 我们针对三个共同点来逐一讲解一下

首先我们来看一下除了三个程序

我们还要注意到现代催化研究过程中

设计催化程序还要考虑到

Trimm经常说的经济性的考虑　还有反应器的优化

因为很多条件下我们要考虑到生产的实际问题

设备的材质是否能够达到压力 是否耐受爆炸的范围

然后腐蚀条件

这些都影响到反应器的选择

然后还要考虑到经济性是否合适

比如说 我们选择的活性组分

催化剂的成本贵不贵

整个催化反应如果需要很多的步骤

比如刚刚我们说了

生物质得到二甲苯

那么多反应步骤 每步的投入

它的经济性是否可行

这个是我们前面讲的三个共同的问题之前要解决

引申出经济性的考虑一个实际生产的过程

讲完其它因素经济性考虑

这个催化剂设计的实际过程

这里不想要把问题复杂化

我们主要来看一下前面的三个共同点

首先看一下热力学分析的过程