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chem1983

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[交流] 几个催化问题的解答（转载自：bbs.my666.com）

试述催化化学的学科背景和前沿领域。
   催化技术是一门复杂的跨学科的科学。因此催化技术及其实际应用的进展将取决于若干学科领域的平行发展,而最有可能的是涉及新催化材料的合成和催化反应的反应途径的识别。因为这一原因,许多研究集中在发展能原位观察催化反应步骤或至少在原子分辨率水平上考察催化活性位的方法。近年来,在许多领域已取得重大的进展和科学突破,其中包括金属表面的原子水平的分辨,例如隧道扫描电镜(ＳＴＭ)技术研究氧化物(如ＴｉＯ2)表面的气固反应机理取得了重要进展;ＳＴＭ在金属及其氧化物催化剂表面粗糙度和分形理论研究方面也发挥了重要作用;用核磁共振(ＮＭＲ)谱原位观察烯烃与沸石酸性位络合情况和用各种分子光谱技术原位表征反应中间物;用紫外拉曼光谱表征杂原子分子筛的定位等,都为发展催化理论和全新的催化技术及进一步改善现有工艺提供了新的可能性。
   目前,人们已经拥有很多研究、表征催化剂的方法,有的给出宏观层次信息,有的给出微观层次信息。人们还在不断地探索将物理-化学新效应、新现象用于催化剂和催化过程的研究和表征,力求更精确地测定活性位的结构、数量,并向原子-分子层次发展,力求从时间-空间两个方面提高对催化剂表面所发生过程的分辨能力。为使广大科技工作者较全面、系统地了解催化技术的发展,由于近代物理技术的发展对催化研究的影响愈来愈大、应用愈来愈广,这些方法的应用使催化研究建立在更直接的试验基础上,从而使催化研究进入到分子水平。石油化工》1990年第19卷第10期至1992年第21卷第4期连续刊载了“近代物理技术在多相催化研究中的应用”讲座。这些讲座和专著出版后受到了国内广大从事催化科学技术研究的科技工作者的欢迎和好评。至今,十年过去了,催化科学技术获得了长足的发展。在这一新形势下,我们再次研究了“固体催化剂的研究方法”。
   “固体催化剂”主要是考虑均相多相催化在研究方法上有许多差异,不易兼容;且目前工上大宗应用的催化剂都是固体催化剂。在内容的安排上,催化剂的宏观物性测试:机械性质、形貌、物相(物理吸附、-射线衍射、电子显微镜、热分析等);活性相的表征:各种子探针的谱学方法(化学吸附、色谱、分子光谱、磁共振、能、ＥＸＡＦＳ/ＸＡＮＥＳ等);催化动力学研究:各种动力学研究法等三大部分为主体。突出反映近十余年来的进展,强调引用近十余年的新文献,出现的新表征方法,以新应用实例等。包括穆斯鲍尔谱、紫外漫反射光谱和磁天平方,主要是因为近十年来这些领域的发展不多,需要的读者参考包括“多相催化剂研究方法”在内的众多参考书，考虑到近十余年来的新进展,目前与催化科学相关的信息很多。
   在非均相催化研究中,一般可分为“实际催化剂”研究和“模型催化剂”研究两类。前者是用来发展实用的高效催化剂,后者主要是探索催化反应本质。对前者,需要做大量的合成试验表征以及反应研究工作。这方面研究的成果除获得高效催化剂外还发展了许多催化反应系统和用以获得稳态动力学的特殊反应器。用稳态反应理论从这类特殊反应器获得的动力学参数被广泛用于发展工业催化过程和构造催化反应动力学模型。对后者,使用超高真空表面分析技术:ＡＥＳ(原子发射光谱法)、ＸＰＳ(Ｘ射线光电子光谱法)、ＬＥＥＤ(低能电子衍射法)、ＳＩＭＳ(次级离子质谱法)等,在原子水平上表征催化表面(结构完全确定的(ｗｅｌｌ-ｄｅｆｉｎｅｄ)表面,而反应研究使用热脱附谱(ＴＤＳ)和分子束技术。用于获得催化反应基本信息的模型催化剂研究的一个最主要目的是用这些信息导引实际催化材料的发展。但是目前两者之间还无法关联,因为两类研究之间存在所谓“压力鸿沟(ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｐ)”和“材料鸿沟(ｍａｔｅｒｉａｌｓｇａｐ)”。两类研究正在相互接近。实际催化剂研究,已使用表面分析技术研究实际催化剂材料和实际催化剂,并已在表征方面取得了一些进展;模型催化剂研究,也在压力下研究模型催化剂上的催化反应动力学和分析反应前后的催化表面。然而这方面的进展仍然是极其缓慢的。瞬态动力学方法的发展有可能加速这一进程。
   与稳定态方法相反,在动态方法中由于催化剂表面上吸附物种的浓度随时间而变化,因而各速率过程的速率在动态过程中是不一样的。所以动态实验的结果有可能提供稳定态方法所不能提供的有关各机理步骤的速率的信息以及某些催化剂表面的信息。这不仅有利于催化剂的开发和催化过程的发展,而且能使催化反应模型具有更大的可信度[7]。有鉴于此,自20世纪60年代以来,众多催化科技工作者致力于非稳定态方法的研究和开发。非稳定态(ｎｏｎ-ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅ)方法也称瞬态(ｔｒａｎｓｉｅｎｔ)方法,是指把一个或多个快速变化的状态变量如温度、压力、浓度或流速等引入系统以扰动系统原有的平衡(或稳定)状态后,跟踪并分析系统发生变化的方法。温度扰动的实验已被发展成一整套在真实催化剂研究中广泛使用的程序升温技术如ＴＰＤ(程序升温脱附)、ＴＰＲ(程序升温还原)、ＴＰＯ(程序升温氧化)、ＴＰＳＲ(程序升温表面反应)和ＴＰＦＳＤ等,分子束散射(ＭＢＳ)实验是利用压力变化的例子,主要用于研究单晶金属表面上的催化反应,也用于模型催化剂的研究。利用流速变化发展出来的瞬态动力学的研究方法有断流色谱法和流向转换色谱,特别是后者已发展成为一种实际的工业化操作方法。这类瞬态动力学研究方法的发展是与实验反应器的发展和相应的理论发展密切相关的,因此也叫非稳态反应器实验方法。

[ Last edited by daiqiguang on 2007-5-8 at 12:09 ]

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