工業(yè)催化概論（龐少峰）

《工業(yè)催化概論》共分為六章，首先對(duì)工業(yè)催化的發(fā)展歷程進(jìn)行了概述；然后，對(duì)催化的基礎(chǔ)化學(xué)體系進(jìn)行了介紹；隨后，對(duì)酸堿催化及配位作用機(jī)制、多相催化及其化學(xué)基礎(chǔ)、催化劑的制備及催化反應(yīng)器和催化劑的表征進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。全書內(nèi)容以工業(yè)催化中所涉及的重要理論探討為主，以案例分析為輔。其目的是使讀者能夠通過本書的閱讀和學(xué)習(xí)，由淺入深地快速進(jìn)入工業(yè)催化的研究領(lǐng)域中。本書內(nèi)容編排既考慮實(shí)用性、創(chuàng)新性及趣味性，又保持科學(xué)性及理論構(gòu)架的完整性，適合多專業(yè)、多學(xué)科學(xué)生使用。
《工業(yè)催化概論》可作為應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、制藥工程、材料科學(xué)與工程等專業(yè)本科生的教學(xué)用書，也可用作材料與化工類專業(yè)研究生的教學(xué)用書，還可以作為催化科研人員的參考用書。

龐少峰，男，漢族，西北民族大學(xué)化工學(xué)院。2017年7月在中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲得物理化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位并于當(dāng)年進(jìn)入西北民族大學(xué)化工學(xué)院工作。以*一或通訊作者身份發(fā)表SCI研究論文十多篇（TOP級(jí)別刊物文章5篇）并參與編寫外文專著一部。目前，承擔(dān)及參與國(guó)家自然科學(xué)基金，甘肅省重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目、甘肅省青年基金、甘肅省高等學(xué)校青年博士基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、西北民族大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目等。榮獲甘肅省政府科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。受邀擔(dān)任Bentham Science科學(xué)出版集團(tuán)大使及學(xué)術(shù)期刊Journal of Environmental Science and Engineering Technology海外編委。目前，擔(dān)任英國(guó)皇*家化學(xué)會(huì)（RSC）旗下全線期刊審稿人，ACS Sustainable Chemistry & Engineering及Chemical Engineering Journal期刊特約審稿人。并于2022年1月評(píng)選為國(guó)際科學(xué)組織Vebleo協(xié)會(huì)會(huì)士。

目前，催化過程占據(jù)了現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)過程的80%以上，而工業(yè)催化技術(shù)所產(chǎn)生的相應(yīng)經(jīng)濟(jì)總量約占全球GDP總量的20%～30%，工業(yè)催化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展已成為推動(dòng)石油化工行業(yè)快速發(fā)展的核心原動(dòng)力。隨著“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的深入推進(jìn)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加快新工科建設(shè)，積極培養(yǎng)適應(yīng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要的卓越專業(yè)人才，是當(dāng)前高等教育改革的重要任務(wù)。因此，打好催化理論的基礎(chǔ)功底，為我國(guó)催化科研領(lǐng)域培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)的儲(chǔ)備軍具有重要的意義。由于工業(yè)催化所涉及的知識(shí)面比較寬泛和龐雜，而一般本科院校針對(duì)該類課程通常只有24或36學(xué)時(shí)。因此，學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)往往很難抓住學(xué)習(xí)重點(diǎn)，進(jìn)行有的放矢的學(xué)習(xí)。
基于本書編寫人員多年來(lái)在工業(yè)催化領(lǐng)域的科研經(jīng)歷及我院“工業(yè)催化”課程十多年的開設(shè)歷程，我們?cè)谧跃幹v義的基礎(chǔ)上，結(jié)合時(shí)代發(fā)展特色與新工科背景下“工業(yè)催化”課程的思政探索與實(shí)踐，有選擇性地將新的知識(shí)體系及課程思政內(nèi)容融入授課講義中，編成本書。本書從工業(yè)催化的發(fā)展歷程引出催化的基礎(chǔ)化學(xué)體系，并由此過渡到酸堿催化及配位作用機(jī)制和多相催化及其化學(xué)基礎(chǔ)，最后對(duì)催化劑的制備、催化反應(yīng)器及催化劑的表征進(jìn)行了介紹。書中去除了一些晦澀難懂的催化研究理論，并將一些重要的催化理論盡可能地用通俗易懂、簡(jiǎn)明扼要的方式進(jìn)行表述。同時(shí)，本書將一些生動(dòng)有趣的工業(yè)催化研究案例與新興發(fā)展理論相結(jié)合，使讀者能夠在閱讀的過程中加深對(duì)學(xué)科的了解。此外，本書還將課程思政與催化案例有機(jī)結(jié)合，希望這種案例穿插、層層遞進(jìn)的寫作方式，能夠讓讀者對(duì)工業(yè)催化理論學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)真正意義上的快速入門及系統(tǒng)化掌握，并持續(xù)激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱忱和激情，努力實(shí)現(xiàn)個(gè)人自身價(jià)值和社會(huì)價(jià)值的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和自覺實(shí)踐。
西北民族大學(xué)的龐少峰、蘇瓊及西北師范大學(xué)的張玉景擔(dān)任本書主編，并負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿。參加編寫的還有西北民族大學(xué)的田雨、郤曉婷、陳奇及王青（參與編寫本書第1章、第3章及第4章），西北師范大學(xué)的王繼雪、田霞及楊曉梅（參與編寫本書第2章、第5章及第6章）。西北民族大學(xué)的段志英、王瑞娜與西北師范大學(xué)的袁航空、邱一峰負(fù)責(zé)本書內(nèi)容的校對(duì)。最后，由西北民族大學(xué)的田雨對(duì)書稿格式進(jìn)行整理及編排。從初稿討論到定稿始終得到我院應(yīng)用化學(xué)教研室及西北師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室老師的大力支持，我院陳麗華院長(zhǎng)及張平副院長(zhǎng)在百忙之中審閱了此稿，并提出諸多寶貴意見。在本書的編寫過程中，參閱了大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)書籍及期刊，從中獲得很多靈感和思路，在此一并致謝。
由于編者水平有限，加之成稿時(shí)間倉(cāng)促，本書疏漏及不足之處在所難免，希望讀者在閱讀過程中予以批評(píng)指正。

編者 于西北民族大學(xué)化工學(xué)院
2024年4月

第1章緒論1
1.1催化科學(xué)的發(fā)展史1
1.1.1催化科學(xué)的萌芽期1
1.1.2催化科學(xué)的起步期2
1.1.3催化科學(xué)的發(fā)展期2
1.1.4催化科學(xué)的新興期3
1.1.5催化科學(xué)的未來(lái)趨勢(shì)4
1.2重要工業(yè)催化歷程的發(fā)展4
1.2.1硫酸工業(yè)4
1.2.2硝酸工業(yè)5
1.2.3合成氨工業(yè)5
1.2.4煤制烴工業(yè)5
1.2.5合成氣制甲醇工業(yè)6
1.2.6烯烴聚合工業(yè)6
1.3化學(xué)工業(yè)中的經(jīng)典均多相催化歷程7
1.3.1均相催化劑（絡(luò)合催化劑）7
1.3.2多相催化劑7
1.4新型催化劑的發(fā)展8
1.4.1石油工業(yè)催化劑8
1.4.2汽車尾氣凈化催化劑8
1.4.3光催化劑9
1.4.4生物催化劑9
1.5催化與諾貝爾獎(jiǎng)9
參考文獻(xiàn)10

第2章催化的基礎(chǔ)化學(xué)體系1
12.1催化反應(yīng)和催化劑11
2.1.1催化反應(yīng)的分類11
2.1.2催化劑的組成14
2.1.3催化劑的分類16
2.1.4化學(xué)反應(yīng)中催化劑的催化作用17
2.2催化劑的催化作用機(jī)制18
2.2.1催化反應(yīng)中底物分子的活化18
2.2.2催化反應(yīng)中的電子效應(yīng)19
2.2.3晶體場(chǎng)理論和配位場(chǎng)理論簡(jiǎn)介27
2.2.4工業(yè)催化過程中的經(jīng)典催化機(jī)理34
2.3催化反應(yīng)的基本理論構(gòu)架37
2.3.1催化反應(yīng)熱力學(xué)研究37
2.3.2催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究41
2.4催化劑結(jié)構(gòu)與催化反應(yīng)的關(guān)系43
參考文獻(xiàn)44

第3章酸堿催化及配位作用機(jī)制45
3.1酸堿催化的定義45
3.1.1酸和堿的定義45
3.1.2一般酸堿催化反應(yīng)49
3.1.3特殊酸堿催化反應(yīng)52
3.1.4酸堿協(xié)同催化反應(yīng)52
3.2配位化合物及其催化反應(yīng)原理54
3.2.1配位化合物的概念54
3.2.2配位化合物類催化劑61
3.2.3配位化合物催化反應(yīng)的經(jīng)典機(jī)理63
3.3基于均相催化劑的典型化學(xué)過程65
3.3.1幾種典型的均相酸堿催化反應(yīng)65
3.3.2幾種典型的配合物催化反應(yīng)69
參考文獻(xiàn)78

第4章多相催化及其化學(xué)基礎(chǔ)80
4.1多相催化劑的結(jié)構(gòu)80
4.1.1多相催化劑的晶體結(jié)構(gòu)80
4.1.2多相催化劑與配位化學(xué)82
4.1.3催化劑的缺陷類型84
4.1.4催化劑的缺陷設(shè)計(jì)88
4.2多相催化的吸附行為90
4.2.1吸附類型簡(jiǎn)介90
4.2.2吸附等溫線及其測(cè)定92
4.2.3氣固多相催化中的吸附與擴(kuò)散96
4.2.4催化反應(yīng)中吸/脫附行為分析99
4.3過渡金屬催化劑101
4.3.1過渡金屬催化劑的表面化學(xué)鍵及催化作用101
4.3.2過渡金屬催化劑的應(yīng)用105
參考文獻(xiàn)109

第5章催化劑制備及催化反應(yīng)器概述110
5.1催化劑制備的化學(xué)基礎(chǔ)110
5.1.1多相氧化物類催化劑的制備110
5.1.2催化劑制備中載體的選擇113
5.1.3均相催化劑的設(shè)計(jì)原理119
5.2催化劑制備的基本原理121
5.2.1沉淀法122
5.2.2溶膠-凝膠法124
5.2.3浸漬法126
5.2.4離子交換法127
5.2.5沉積-沉淀法128
5.2.6其他制備方法129
5.3催化劑的成型及其工業(yè)催化反應(yīng)器129
5.3.1催化劑的成型129
5.3.2工業(yè)催化反應(yīng)器131
參考文獻(xiàn)134

第6章催化劑的表征135
6.1X射線衍射135
6.1.1多晶X射線衍射定義及基本原理136
6.1.2粉末衍射圖的獲取136
6.1.3粉末X射線衍射的應(yīng)用136
6.1.4多晶X射線衍射在催化研究中的應(yīng)用138
6.2透射及掃描電子顯微鏡139
6.2.1透射電子顯微鏡（TEM）139
6.2.2掃描電子顯微鏡（SEM）140
6.2.3TEM/SEM的發(fā)展趨勢(shì)142
6.3紅外光譜技術(shù)142
6.3.1紅外光譜的基本原理143
6.3.2紅外光譜的種類143
6.3.3紅外光譜技術(shù)在催化研究中的應(yīng)用144
6.4紫外光譜技術(shù)145
6.4.1紫外漫反射光譜工作原理145
6.4.2參照物的選擇145
6.4.3影響紫外漫反射光譜的因素146
6.4.4紫外光譜在催化研究中的應(yīng)用146
6.5熱分析技術(shù)147
6.5.1熱重法（TG）147
6.5.2差熱分析法(DTA)148
6.5.3差示掃描量熱法(DSC)149
6.5.4熱分析聯(lián)用技術(shù)150
6.5.5熱分析在催化研究中的應(yīng)用150
6.6拉曼光譜技術(shù)151
6.6.1拉曼光譜的基本原理151
6.6.2拉曼光譜的分析方向及特點(diǎn)152
6.6.3新拉曼光譜技術(shù)153
6.6.4拉曼光譜在催化研究中的應(yīng)用154
6.7X射線光電子能譜技術(shù)154
6.7.1X射線光電子能譜的基本原理155
6.7.2X射線光電子能譜的特點(diǎn)155
6.7.3X射線光電子能譜法的應(yīng)用155
6.7.4X射線光電子能譜在催化研究中的應(yīng)用156
6.8程序升溫表征探索技術(shù)157
6.8.1程序升溫脫附（TPD）157
6.8.2程序升溫還原（TPR）159
6.8.3程序升溫氧化（TPO）159
6.8.4程序升溫表面反應(yīng)（TPSR）160
6.8.5小結(jié)161

參考文獻(xiàn)162