高等催化原理（何杰 ）

《高等催化原理》旨在让相关专业研究生、教师和高年级本科生掌握催化基本原理，了解催化学科发展动态。全书共9章，内容包括：绪论、吸附与催化作用、金属催化剂及其相关催化过程、固体酸碱及其催化作用、金属氧化物催化剂及其催化氧化作用、多相催化剂的制备、多相催化剂的表征与活性评价、环境催化、能源催化转化等。

本书可作为相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可供从事催化以及与催化有关的工作者参考。

 

何杰，安徽理工大学化学工程学院，教授，主要从事物理化学、催化原理、工业催化及相关课程的教学工作，同时在吸附、催化和催化新材料方面开展研究工作。所负责的物理化学课程为安徽理工大学首批重点课程，目前为安徽理工大学“工业催化”精品课程的负责人，承担“工业催化”课程的建设任务。

第1章绪论1

1.1概述1

1.2催化作用2

1.2.1催化的基本概念2

1.2.2催化作用研究的意义5

1.3催化科学与技术的形成与发展8

1.3.1催化科学与技术的发展简史8

1.3.2中国催化剂工业的发展14

1.4催化科学发展与展望15

1.4.1催化科学的发展特征15

1.4.2催化科学的发展方向16

1.5催化领域的学术会议、学术期刊与研究机构18

1.5.1学术会议18

1.5.2学术期刊19

1.5.3国内高校及研究机构19

1.5.4我国著名催化专家21

第2章吸附与催化作用23

2.1概述23

2.1.1吸附现象23

2.1.2吸附特征25

2.1.3吸附与催化作用的关系25

2.2吸附类型26

2.2.1物理吸附26

2.2.2化学吸附28

2.2.3物理吸附向化学吸附的转变33

2.3吸附热35

2.4吸附等温方程37

2.4.1吸附等温线37

2.4.2吸附等温方程39

2.5吸附和催化反应过程中的溢流现象48

2.5.1溢流49

2.5.2对吸附脱附行为的影响50

2.5.3对催化反应的影响51

2.5.4溢流物种及溢流形式53

2.5.5基于溢流效应的气-固相催化剂设计56

2.6吸附与催化作用机理57

2.6.1单分子分解反应58

2.6.2双分子反应59

2.6.3扩散控制反应61

第3章金属催化剂及其相关催化过程63

3.1概述63

3.2金属催化剂的类型66

3.2.1根据催化剂的粒径、化学组成和配位环境分类66

3.2.2按制备方法分类67

3.2.3按催化剂活性组分是否负载在载体上分类68

3.3金属催化作用的化学键理论71

3.3.1金属电子结构的能带模型和“d带空穴”71

3.3.2价键模型和d特性百分数的概念73

3.3.3配位场模型73

3.3.4晶格间距与催化活性——多位理论74

3.4负载型金属催化剂76

3.4.1金属载体相互作用77

3.4.2结构敏感和非敏感反应79

3.4.3单原子催化剂81

3.4.4限域空间中金属粒子的催化作用84

3.5金属合金催化剂89

3.5.1双金属合金催化剂89

3.5.2三金属与多金属合金催化剂92

3.5.3金属催化剂助剂93

3.6金属催化剂的失活与再生94

3.6.1金属催化剂失活94

3.6.2失活催化剂再生96

3.7金属催化剂的应用97

3.7.1加氢反应97

3.7.2氧化反应100

第4章固体酸碱及其催化作用102

4.1概述102

4.2固体酸碱的分类及其性质102

4.2.1固体酸碱的概念与分类102

4.2.2固体酸碱的性质103

4.2.3酸碱中心作用104

4.3固体表面酸碱性的表征107

4.3.1指示剂滴定法107

4.3.2气相碱性（酸性）分子吸附法109

4.3.3微分吸附量热法111

4.3.4IR方法112

4.3.5NMR方法115

4.3.6催化反应活性测定117

4.4分子筛催化剂119

4.4.1分子筛的发展历程119

4.4.2分子筛的组成、结构与应用120

4.4.3分子筛的酸碱性质121

4.4.4择形催化124

4.5固体酸碱催化的应用128

4.5.1固体酸催化反应128

4.5.2固体碱催化反应139

4.6双功能催化剂143

4.6.1金属/酸双功能催化剂143

4.6.2金属/碱双功能催化剂145

4.6.3酸碱双功能催化剂145

第5章金属氧化物催化剂及其催化氧化作用149

5.1概述149

5.2过渡金属氧化物的半导体特性150

5.2.1金属氧化物的半导体性质150

5.2.2半导体氧化物催化剂的催化机理157

5.3选择性氧化反应活性中心的性质159

5.3.1选择性氧化反应活性中心159

5.3.2Mars-van Krevelen反应机理163

5.3.3用于氧化反应的金属氧化物催化剂的结构特征164

5.4氧物种特征对催化氧化作用的影响166

5.4.1过渡金属氧化物催化剂的氧化还原机理166

5.4.2催化剂的金属-氧键强度对催化反应的影响167

5.4.3金属氧化物催化剂氧化还原机理（Redox机理）168

5.4.4复合金属氧化物催化剂169

5.4.5酸碱性对催化性能的影响170

5.5选择性催化氧化反应实例171

5.5.1轻质烷烃的选择性氧化173

5.5.2烯烃的选择性氧化179

5.5.3短链烷烃的氧化脱氢制烯烃184

5.6选择性氧化过程发展趋势192

第6章多相催化剂的制备196

6.1概述196

6.1.1催化剂制备的重要性196

6.1.2固体催化剂的构成198

6.1.3催化剂主要组分的设计200

6.1.4催化剂的一般制备205

6.1.5催化剂制备技术的新进展210

6.2浸渍法212

6.2.1浸渍法的基本原理及影响因素212

6.2.2各种浸渍法工艺及要点215

6.2.3浸渍颗粒的热处理217

6.2.4浸渍法制备催化剂的实例218

6.3沉淀法219

6.3.1沉淀过程和沉淀剂的选择219

6.3.2沉淀法的影响因素220

6.3.3沉淀法工艺的分类223

6.3.4沉淀物的过滤、洗涤、干燥、焙烧225

6.3.5沉淀法制备催化剂的实例——活性Al2O3的制备227

6.4溶胶-凝胶法229

6.4.1溶胶-凝胶法简介229

6.4.2溶胶-凝胶法制备催化剂的一般步骤230

6.4.3溶胶-凝胶法的影响因素231

6.4.4溶胶-凝胶法制备催化剂实例232

6.5水热（溶剂热）合成法233

6.5.1水热法合成分子筛233

6.5.2有序介孔材料的水热合成235

6.6其他制备方法238

6.6.1锚定法(化学键合法)238

6.6.2混合法238

6.6.3离子交换法239

6.6.4熔融法241

6.7催化剂的终形成241

6.7.1催化剂活化241

6.7.2催化剂成型244

第7章多相催化剂的表征与活性评价249

7.1概述249

7.2固体催化剂物理性质的表征250

7.2.1表面积与孔径分布250

7.2.2粒径与分布256

7.2.3电子显微镜技术259

7.3固体催化剂化学性质的表征267

7.3.1主体化学成分表征267

7.3.2表面化学成分表征268

7.4催化剂的活性评价270

7.4.1催化剂活性的基本概念及测试目的270

7.4.2表征催化剂活性的一般参量271

7.4.3反应区域问题271

7.4.4实验室催化剂评价反应器的类型273

7.4.5活性测试的方法276

7.5催化剂的失活、再生与寿命281

7.5.1催化剂失活281

7.5.2催化剂再生285

7.5.3催化剂寿命286

第8章环境催化289

8.1概述289

8.2环境废气的催化净化289

8.2.1汽车尾气净化处理289

8.2.2烟气催化净化295

8.2.3挥发性有机化合物的催化燃烧303

8.2.4室内空气催化净化306

8.3水处理过程中的多相催化309

8.3.1污水中化学需氧量的催化降解310

8.3.2水处理中的催化还原过程319

8.4绿色合成中的催化反应322

8.4.1E因子与原子效率322

8.4.2催化还原323

8.4.3催化氧化324

8.4.4绿色化学中有机溶剂的使用327

8.5环境催化新发展327

8.5.1基于CO2资源化催化作用328

8.5.2基于纳米粒子与单原子环境催化作用336

第9章能源催化转化340

9.1概述340

9.2石油炼制中的催化过程341

9.2.1催化重整341

9.2.2流化催化裂化345

9.2.3石油中有机硫化物的催化脱除349

9.3煤转化中的催化作用352

9.3.1煤直接液化中的催化作用353

9.3.2煤直接气化中的催化作用357

9.3.3煤的催化燃烧361

9.4天然气催化转化363

9.4.1CH4间接化学转化364

9.4.2CH4的催化燃烧367

9.5生物质催化转化369

9.5.1植物油的转化370

9.5.2生物质的生物催化转化370

9.5.3生物质衍生物的催化重整371

9.5.4生物质热化学转化372

9.6燃料电池中的催化反应375

9.6.1燃料电池简介375

9.6.2燃料电池工作原理376

9.6.3甲醇水蒸气重整377

9.6.4汽柴油自热重整379

9.6.5直接碳燃料电池380

9.7化学储能中的催化反应384

9.7.1水分解制氢384

9.7.2CO2还原反应388

主要参考文献392

 

催化在国民经济发展中具有十分重要的作用，现代化工与石油化工的巨大成就与催化剂的使用是分不开的，每种新的催化剂与催化工艺过程的研制与开发都可能会引起化工、石油加工、能源转化等重大工业的快速发展。催化是一门综合科学，它是化学工业中重要和普遍的跨学科技术之一，也是发展非常迅速的学科。同时催化作用的使用超越了化学工业和石油化工，它在能源的可持续利用以及在保护我们的生态环境和气候方面也具有关键作用。

催化包括均相催化、酶催化和多相催化三个不同催化体系。基于教学实践，本书主要介绍多相催化原理与应用。在编写过程中，我们在介绍催化基础理论与应用以及相关领域的现代发展的同时，适时介绍了中国科学家对催化作用所作出的贡献。

“催化原理”是很多学校化学工程与技术一级学科硕士研究生的学位课程。本书在催化原理的基础上进一步介绍催化科学与技术的发展和应用。本书在安徽理工大学化学工程与技术硕士研究生学位课程“高等催化原理”的多年教学基础上凝练而成，被列入煤炭高等教育“十三五”规划教材和安徽省规划教材，得到了安徽理工大学研究生核心课程建设和高等学校省级质量工程项目“一流教材建设”项目的支持。

本书是为教师、研究生以及本科高年级学生编写的一本教材或教学参考书，也可作为从事催化以及与催化有关的工作者的专业参考书，希望能为本领域的人才培养和学科发展作出一些贡献。

本书共分为9章。第1章绪论部分简要介绍催化科学与技术及其发展概况，同时简要介绍了中国催化科学的发展；第2章吸附与催化作用，在介绍吸附理论及发展的基础上，讨论了吸附作为多相催化的一个基本过程在多相催化中的作用；第3章介绍了金属催化剂的基础理论及相关的催化过程，介绍了单原子催化与限域环境下金属粒子的催化作用；第4章介绍了固体酸碱及其催化作用，包括酸碱催化剂的表征技术、双功能催化剂的催化作用；第5章介绍了金属氧化物催化剂、氧化反应机理、选择性氧化过程以及选择性催化氧化过程的发展趋势；第6章介绍了多相催化剂制备的设计过程与方法；第7章介绍了催化剂的表征方法；第8章介绍了环境催化，包括绿色化学过程、CO2的资源化利用以及单原子催化在环境催化过程中的作用；第9章介绍了能源催化转化，包括高效催化燃烧、燃料电池、化学储能等。

本书由安徽理工大学何杰教授主编。第1～5章由何杰教授编写，第6～7章由薛茹君教授编写，第8～9章由胡丽芳副教授编写。

受篇幅限制，本书在文后集中列出了部分参考文献。在此对在本书编写过程中提供帮助与思维启发的各位同行以及给予支持的单位表示由衷的感谢。

限于作者水平，书中疏漏之处难免，恳请读者批评指正！

编者

2021年2月