應用催化基礎（趙蕓）

《應用催化基礎》全面介紹了催化劑基礎知識及其應用領域和最新進展。全書共分為12章：第1章概述了催化科學和技術的發(fā)展簡史及催化發(fā)展的新領域，第2章論述了催化的化學基礎，第3章簡述了催化的工程基礎，第4～9章分別介紹了各類催化劑及其應用和最新進展，包括酸堿催化劑、金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、過渡金屬有機配合物催化劑、生物催化劑及電催化劑，第10章介紹了固體催化劑的設計，第11章涉及固體催化劑制備與成型，第12章是固體催化劑表征技術。
本書可作為高等院?；瘜W工程與工藝、能源化學工程、制藥工程及其他相關專業(yè)本科生教材使用，也可以作為研究生或其他科研人員的參考書。

催化技術在化學工業(yè)中起著舉足輕重的作用，是促使化工生產技術不斷進步的主要動力。可以說沒有新催化劑的開發(fā)，就沒有新的化學工業(yè)和石油工業(yè)。黨的二十大報告指出，必須堅持問題導向和守正創(chuàng)新。我們在能源、環(huán)保、新材料及生物領域中所面臨的問題要求我們開發(fā)出性能更優(yōu)異、結構更多樣化的催化劑。為反映近年來催化科學和技術所取得的進步及其在各領域的應用進展，以滿足高等院校化學工程與工藝、能源化學工程及制藥工程等相關專業(yè)學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，編寫了本教材。
本書注重基礎、突出應用，并力求反映最新進展。在設計教材架構時，編者將催化基礎知識分成兩部分內容：催化的化學基礎及催化的工程基礎，以期從催化化學基本原理以及催化反應工程兩個不同角度進行闡述，既讓學生掌握催化作用及其本質，又讓學生了解工業(yè)催化過程。其中催化的化學基礎包括催化作用與催化劑、催化作用的化學本質、催化反應的熱力學和動力學及吸附作用;催化的工程基礎包括均相催化與多相催化、多相催化反應基礎及催化反應器基礎。在講述完基礎內容后，編者向讀者詳細展示了各類催化劑及其相關理論和應用，介紹了大量的應用實例以及最新進展，最后概述催化劑的設計、共性制備技術及表征技術。本書圖文并茂，淺顯易懂。另外，編者還從前沿角度出發(fā)，論述了近年來備受關注的電催化劑與電催化作用相關內容，為催化相關專業(yè)的教師、學生和科研人員提供參考。
本書由北京理工大學趙蕓、黎漢生、馮彩虹、史大昕、張耀遠、呂波、鄭小燕共同編寫。第1～3、7章由趙蕓編寫，第4章由黎漢生編寫，第5章由史大昕編寫，第6章由張耀遠編寫，第8章由呂波編寫，第9章由馮彩虹編寫，第10章由馮彩虹和鄭小燕編寫，第11章由趙蕓、馮彩虹和史大昕編寫，第12章由趙蕓和馮彩虹編寫，全書由黎漢生策劃，由趙蕓統(tǒng)稿。在編寫過程中，參考了國內外眾多學者的觀點和研究成果，在此一并致以誠摯的謝意。
由于編者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請同行專家和讀者批評指正。

編者
2024年3月

第1章 緒論 001
1.1 催化概念的產生及形成 001
1.2 重要的工業(yè)催化過程 002
1.3 催化科學與技術發(fā)展的新領域 004
1.3.1 新型催化材料及其應用 004
1.3.2 催化科學與技術的發(fā)展趨勢 006

第2章 催化的化學基礎 008
2.1 催化作用與催化劑 008
2.1.1 催化作用的定義及特征 008
2.1.2 催化劑的組成及其功能 010
2.1.3 催化劑的結構 013
2.1.4 催化劑的性能指標 015
2.2 催化作用的化學本質 017
2.3 吸附作用 019
2.3.1 物理吸附與化學吸附 019
2.3.2 吸附勢能曲線 020
2.3.3 化學吸附強度與吸附態(tài) 021
2.3.4 吸附等溫線及吸附等溫方程 024
2.4 催化反應熱力學及動力學 028
2.4.1 催化反應熱力學 028
2.4.2 催化反應動力學 034
思考題 037

第3章 催化的工程基礎 038
3.1 均相催化與多相催化 038
3.1.1 均相催化與多相催化的定義 038
3.1.2 均相催化與多相催化的特點 039
3.2 多相催化反應基礎 039
3.2.1 多相催化反應步驟 039
3.2.2 外擴散 040
3.2.3 內擴散 040
3.2.4 反應物分子的吸附、表面反應及產物脫附 041
3.3 催化反應器基礎 041
3.3.1 理想反應器與非理想反應器 042
3.3.2 停留時間及其分布 042
3.3.3 典型催化反應器 047
思考題 054

第4章 酸堿催化劑與酸堿催化作用 055
4.1 酸堿理論與催化 055
4.1.1 酸堿電離理論 055
4.1.2 酸堿質子理論 055
4.1.3 酸堿電子理論 056
4.2 酸堿催化劑的定義、分類及其性質 056
4.2.1 酸堿催化劑的定義 056
4.2.2 酸堿催化劑的分類 057
4.2.3 酸堿催化劑的性質 057
4.3 酸堿中心的形成與結構 061
4.4 酸堿催化劑的催化作用 063
4.4.1 酸類型與催化選擇性的關系 063
4.4.2 酸強度與催化活性及選擇性的關系 064
4.4.3 酸量與催化活性的關系 065
4.5 典型酸堿催化劑及其應用 065
4.5.1 均相酸堿催化劑 065
4.5.2 分子篩催化劑 066
4.5.3 固體超強酸催化劑 071
4.5.4 雜多酸催化劑 073
4.5.5 離子交換樹脂催化劑 075
4.6 酸堿催化劑新進展 076
思考題 077

第5章 金屬催化劑與金屬催化作用 078
5.1 金屬化學鍵理論與催化 078
5.2 金屬催化劑的定義和分類 079
5.3 金屬催化劑的結構 080
5.3.1 金屬(合金)的晶體結構 080
5.3.2 金屬(合金)的電子結構 080
5.3.3 金屬(合金)的表面結構 081
5.4 金屬催化劑的特征及其催化作用 083
5.4.1 金屬催化劑的特征 083
5.4.2 金屬催化劑的催化作用原理 084
5.4.3 金屬催化劑表面的吸附 085
5.5 典型金屬催化劑及其應用 086
5.5.1 體相金屬催化劑 086
5.5.2 負載金屬催化劑 087
5.5.3 合金催化劑 088
5.5.4 金屬團簇催化劑 089
5.6 金屬催化劑新進展 089
5.6.1 單原子催化劑 089
5.6.2 高熵合金催化劑 090
5.6.3 核殼催化劑 090
思考題 090

第6章 過渡金屬氧化物催化劑與催化氧化作用 091
6.1 半導體的能帶理論 091
6.1.1 非計量化合物的類型 091
6.1.2 半導體的能帶結構 093
6.2 過渡金屬氧化物催化劑的組成與結構 094
6.2.1 過渡金屬氧化物催化劑的組成 094
6.2.2 單一過渡金屬氧化物的結構 094
6.2.3 復合過渡金屬氧化物的結構 097
6.3 過渡金屬氧化物催化劑的催化氧化作用 099
6.3.1 過渡金屬氧化物催化劑的作用機理 099
6.3.2 過渡金屬氧化物催化劑的酸堿行為 099
6.3.3 過渡金屬氧化物催化劑表面的氧物種及其作用 101
6.4 過渡金屬氧化物催化劑對反應物分子的吸附和活化 103
6.4.1 烴類分子的吸附和活化 103
6.4.2 H2 的吸附和反應性 105
6.4.3 CO的吸附和反應性 106
6.4.4 NO的吸附和反應性 106
6.5 典型過渡金屬氧化物催化劑及其應用 107
6.5.1 V2O5 催化氧化制鄰苯二甲酸酐 107
6.5.2 Bi2O3-MoO3 催化丙烯氧化制丙烯酸 109
6.5.3 MO3 基雙金屬氧化物催化丙烯氧化制丙酮——雙功能催化作用 112
6.6 過渡金屬氧化物催化劑新進展 114
思考題 115

第7章 過渡金屬有機配合物催化劑與配位催化作用 116
7.1 過渡金屬有機配合物理論與催化 116
7.1.1 晶體場理論 116
7.1.2 分子軌道理論 117
7.2 過渡金屬有機配合物的定義、結構及分類 118
7.2.1 過渡金屬有機配合物的定義 118
7.2.2 過渡金屬有機配合物的結構 118
7.2.3 過渡金屬有機配合物的分類 121
7.3 過渡金屬有機配合物的催化作用 122
7.3.1 配位體取代反應 122
7.3.2 氧化加成和還原消除反應 123
7.3.3 插入和脫出反應 124
7.3.4 配位體的反應 125
7.4 典型過渡金屬有機配合物催化劑及其應用 126
7.4.1 銠/釕配合物催化不飽和化合物加氫反應 126
7.4.2 Ziegler-Natta催化劑及茂金屬催化烯烴聚合反應 128
7.4.3 鈀催化烯烴氧化反應 130
7.4.4 過渡金屬卡賓配合物催化烯烴復分解反應 130
7.4.5 過渡金屬羰基配合物催化烯烴氫甲?；磻?131
7.4.6 鈀配合物催化交叉偶聯(lián)反應 134
7.5 過渡金屬有機配合物催化劑新進展 135
7.5.1 氫化反應催化劑 135
7.5.2 烯烴聚合反應催化劑 136
7.5.3 烯烴復分解反應催化劑 137
7.5.4 交叉偶聯(lián)反應催化劑 137
思考題 138

第8章 生物催化劑與生物催化作用 139
8.1 生物催化劑的定義、分類、結構及催化特征 139
8.1.1 生物催化劑的定義 139
8.1.2 生物催化劑的系統(tǒng)分類 140
8.1.3 生物催化劑的結構基礎 142
8.1.4 生物催化劑的催化特征 146
8.2 生物催化劑的反應動力學 147
8.2.1 酶促反應動力學方程 147
8.2.2 酶催化動力學參數(shù)的意義 149
8.2.3 酶催化活性的表征 150
8.3 影響生物催化反應的因素 151
8.3.1 pH 影響酶催化反應 151
8.3.2 溫度影響酶催化反應 152
8.3.3 抑制劑影響酶催化反應 152
8.4 生物催化劑的應用 155
8.4.1 生物催化劑在醫(yī)藥方面的應用 155
8.4.2 生物催化劑在食品方面的應用 157
8.4.3 生物催化劑在生物檢測方面的應用 158
8.4.4 生物催化劑在生物材料方面的應用 158
8.5 生物催化劑新進展 158
8.5.1 數(shù)據(jù)驅動的催化元件表征 159
8.5.2 生物催化劑的分子改造技術 159
思考題 161

第9章 電催化劑與電催化作用 162
9.1 電催化作用與電催化反應的基本規(guī)律 162
9.1.1 電催化基礎 162
9.1.2 電催化反應的基本規(guī)律和兩類電催化反應及其共同特點 163
9.2 電催化劑的電子結構效應和表面結構效應 165
9.2.1 電催化劑的電子結構效應 166
9.2.2 電催化劑的表面結構效應 167
9.3 電催化作用中的電子效應調控及協(xié)同效應 169
9.3.1 金屬表面反應性及其電子效應調控 169
9.3.2 電催化劑的協(xié)同效應 171
9.4 電極反應及其電催化 172
9.4.1 氫電極反應及其電催化 172
9.4.2 氧電極反應及其電催化 174
9.5 電催化劑新進展 177
9.5.1 過渡金屬氧化物 177
9.5.2 過渡金屬硫化物 177
9.5.3 過渡金屬氮化物 179
9.5.4 過渡金屬磷化物 179
9.5.5 層狀雙金屬氫氧化物 180
思考題 180

第10章 固體催化劑的設計 181
10.1 催化劑設計的分子基礎 181
10.1.1 單晶金屬表面結構 182
10.1.2 表面原子的氧化狀態(tài) 184
10.2 工業(yè)催化劑設計方法 184
10.2.1 催化劑設計的總體考慮 184
10.2.2 催化劑的仿生設計 187
10.2.3 催化劑設計的框圖程序 188
10.2.4 催化劑設計的經(jīng)驗程序 190
10.2.5 催化劑的類型設計法 194
10.2.6 催化劑主要組分的設計 194
10.2.7 催化劑次要組分的設計 196
10.3 理論輔助的催化劑設計 197
10.3.1 建模方法概述 198
10.3.2 固體催化劑模擬設計實例 201
思考題 206

第11章 固體催化劑制備與成型 207
11.1 固體催化劑的常規(guī)制備方法 207
11.1.1 沉淀法 207
11.1.2 浸漬法 210
11.1.3 離子交換法 213
11.1.4 混合法 214
11.1.5 熔融法 214
11.2 固體催化劑的新制備方法 215
11.2.1 溶膠-凝膠法 215
11.2.2 水熱/溶劑熱法 216
11.2.3 微乳液法 219
11.2.4 自組裝法 221
11.2.5 化學氣相沉積法 222
11.2.6 高溫液相分解法 222
11.3 固體催化劑的成型與再生 222
11.3.1 催化劑成型 222
11.3.2 催化劑活化 224
11.3.3 催化劑再生 227
11.3.4 催化劑分離與回收 228
11.4 催化劑制備技術新進展 230
11.4.1 微波技術 230
11.4.2 等離子體技術 230
11.4.3 原子層沉積技術 231
思考題 231

第12章 固體催化劑表征技術 232
12.1 固體催化劑的宏觀物性測定 232
12.1.1 固體催化劑的比表面積測定 232
12.1.2 固體催化劑的孔結構測定 235
12.1.3 固體催化劑的機械強度測定 237
12.2 固體催化劑的微觀結構表征 238
12.2.1 X射線衍射分析法 238
12.2.2 電子顯微技術 242
12.2.3 光電子能譜法 246
12.2.4 紅外光譜技術 256
12.2.5 核磁共振方法 261
12.3 固體催化劑的性能表征 263
12.3.1 熱分析法 263
12.3.2 程序升溫技術 265
12.3.3 分子探針-紅外光譜法 267
12.4 固體催化劑的活性、選擇性及壽命評價 269
12.4.1 催化劑的活性及選擇性評價 269
12.4.2 催化劑的壽命評價 272
思考題 272

參考文獻 274