催化剂

贝采里乌斯

催化剂最早由瑞典化学家

根据国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)1981年的定义：催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质。 这种作用称为催化作用，涉及催化剂的反应称为催化反应。

催化剂自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化;它和反应体系的关系就像锁与钥匙的关系一样，具有高度的选择性(或专一性)。一种催化剂并非对所有的化学反应都有催化作用;某些化学反应并非只有唯一的催化剂。

也有一种说法，催化剂参与化学反应。在一个总的化学反应中，催化剂的作用是降低该反应发生所需要的活化能，本质上是把一个比较难发生的反应变成了两个很容易发生的化学反应(与之相反的称为抑制剂)。在这两个反应中，第一个反应中催化剂扮演反应物的角色，第二个反应中催化剂扮演生成物的角色，所以说从总的反应方程式上来看，催化剂在反应前后没有变化。

一般来说，催化剂是指参与化学反应中间历程的，又能选择性地改变化学反应速率，而其本身的数量和化学性质在反应前后基本保持不变的物质。通常把催化剂加速化学反应，使反应尽快达到化学平衡的作用叫做催化作用，但并不改变反应的平衡。

催化反应有四个基本特征，可以根据定义导出，对了解催化剂的功能很重要。

1、催化剂只能加速热力学上可以进行的反应。要求开发新的化学反应催化剂时，首先要对反应进行热力学分析，看它是否是热力学上可行的反应。

2、催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变反应的平衡位置(平衡常数)。

3、催化剂对反应具有选择性，当反应可能有一个以上不同方向时，催化剂仅加速其中一种，促进反应速率和选择性是统一的。

4、催化剂的寿命。催化剂能改变化学反应速率，其自身并不进入反应，在理想情况下催化剂不为反应所改变。但在实际反应过程中，催化剂长期受热和化学作用，也会发生一些不可拟的物理化学变化。

根据催化剂的定义和特征分析，有三种重要的催化剂指标：活性、选择性、稳定性。

绝大多数催化剂有三类可以区分的组分：活性组分、载体、助催化剂。

活性组分是催化剂的主要成分，有时由一种物质组成，有时由多种物质组成。

活性组分分类：

载体是催化活性组分的分散剂、黏合剂或支撑体，是负载活性组分的骨架。将活性组分、助催化剂组分负载于载体上所制得的催化剂成为负载型催化剂。

常用载体的类型：低比表面积的有：

催化剂载体

催化剂种类繁多，按状态可分为

制造催化剂的每一种方法，实际上都是由一系列的操作单元组合而成。为了方便，人们把其中关键而具特色的操作单元的名称定为制造方法的名称。传统的方法有机械混合法、沉淀法、浸渍法、溶液蒸干法、热熔融法、浸溶法(沥滤法)、离子交换法等，现发展的新方法有化学键合法、纤维化法等。

将两种以上的物质加入混合设备内混合。此法简单易行，例如转化-吸收型脱硫剂的制造,是将活性组分(如二氧化锰、氧化锌、碳酸锌)与少量粘结剂(如氧化镁、氧化钙)的粉料计量连续加入一个可调节转速和倾斜度的转盘中,同时喷入计量的水、粉料滚动混合粘结,形成均匀直径的球体，此球体再经干燥、焙烧即为成品。

此法用于制造要求分散度高并含有一种或多种金属氧化物的催化剂。在制造多组分催化剂时，适宜的沉淀条件对于保证产物组成的均匀性和制造优质催化剂非常重要。通常的方法是在一种或多种金属盐溶液中加入沉淀剂(如碳酸钠、氢氧化钙)，经沉淀、洗涤、过滤、干燥、成型、焙烧(或活化),即得最终产品。

将具有高孔隙率的载体(如硅藻土、氧化铝、活性炭等)浸入含有一种或多种金属离子的溶液中，保持一定的温度，溶液进入载体的孔隙中。将载体沥干，经干燥、煅烧,载体内表面上即附着一层所需的固态金属氧化物或其盐类。

用于制颗粒直径为数十微米至数百微米的流化床用催化剂。如间二甲苯流化床氨化氧化制间二甲腈催化剂的制造，先将给定浓度和体积的偏钒酸盐和铬盐水溶液充分混合，再与定量新制的硅凝胶混合，泵入喷雾干燥器内，经喷头雾化后，水分在热气流作用下蒸干，物料形成微球催化剂，从喷雾干燥器底部连续引出。

热熔融法是制备某些催化剂的特殊方法，适用于少数不得不经过熔炼过程的催化剂，为的是借助高温条件将各个组分熔炼称为均匀分布的混合物，配合必要的后续加工，可制得性能优异的催化剂。

从多组分体系中，用适当的液态药剂(或水)抽去部分物质，制成具有多孔结构的催化剂。例如骨架镍催化剂的制造，将定量的镍和铝在电炉内熔融，熔料冷却后成为合金.将合金破碎成小颗粒，用氢氧化钠水溶液浸泡，大部分铝被溶出(生成偏铝酸钠)，即形成多孔的高活性骨架镍。

某些晶体物质(如合成沸石分子筛)的金属阳离子(如Na)可与其他阳离子交换。将其投入含有其他金属(如稀土族元素和某些贵金属)离子的溶液中，在控制的浓度、温度、pH条件下，使其他金属离子与 Na进行交换。

①化学键合法。此法现大量用于制造聚合催化剂。其目的是使均相催化剂固态化。能与过渡金属络合物化学键合的载体，表面有某些官能团(或经化学处理后接上官能团)，如-X、-CH2X、-OH基团。将这类载体与膦、胂或胺反应，使之膦化、胂化或胺化，然后利用表面上磷、砷或氮原子的孤电子对与过渡金属络合物中心金属离子进行配位络合，即可制得化学键合的固相催化剂，如丙烯本体液相聚合用的载体──齐格勒-纳塔催化剂的制造。

②纤维化法。用于含贵金属的载体催化剂的制造。如将硼硅酸盐拉制成玻璃纤维丝，用浓盐酸溶液腐蚀，变成多孔玻璃纤维载体，再用氯铂酸溶液浸渍，使其载以铂组分。根据实用情况，将纤维催化剂压制成各种形状和所需的紧密程度，如用于汽车排气氧化的催化剂，可压紧在一个短的圆管内。如果不是氧化过程，也可用碳纤维。纤维催化剂的制造工艺较复杂，成本高。

我国第一个催化剂生产车间是

催化剂在使用过程中受种种因素的影响，会急剧地或缓慢地失去活性。催化剂失活的原因是复杂的。可以归纳为以下一些种类：

1.永久性失活

催化剂活性组分受某些外来成分的作用(中毒)而失去活性，往往是永久性失活。这些外来成分多是与催化剂的活性组分发生化学反应或离子交换而导致活性成分发生变化。如酸性催化剂被碱中和，贵金属催化剂被硫化物或氮化物中毒等。催化剂中毒的失活往往表现为活性迅速下降。活性组分在使用过程中被磨损或升华造成丢失也导致永久性失活，这类失活往往难以简单地恢复

2、活性组分被覆盖而逐渐失活，是非永久性失活。如反应过程产生的积碳，覆盖了活性组分或堵塞了催化剂的孔道，使反应物无法与活性组分接触。这些覆盖物通过一定的方法可以除去，如被积碳而失活可以通过烧炭再生而复活。

3、错误的操作导致催化剂失活，如过高的反应温度，压力剧烈的波动导致催化剂床层的混乱或粉碎等，这类失活是无法恢复的。