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工业催化 第八章 第八章　催化新技术与新材料 授课对象： 化学工程与工艺专业 1. 绿色化学的主要内容 催化与污染防治——从源头控制污染 新的反应原料需要新的催化剂来活化 催化与反应过程的改善 2. 从源头控制污染 火焰燃烧有两大致命的缺点： ① 由于火焰燃烧实质上是燃烧物质（煤、油类物质，可燃性气体等）的氧化反应，在燃烧过程中不可避免以可见光的形式释放能量。这部分能量无法利用而损失掉，造成能量利用率低。 ② 燃烧反应形成毒性很大的污染物，造成环境污染。 从根本上解决火焰燃烧的低效和高排放的途径是催化燃烧。 它具有高效节能和环境友好的双重优点，是燃烧的理想方式和最高境界（从科学原理上看已无进一步改进的余地）。 未来所有的燃烧，包括煤、燃油和各种可燃性气体（天然气、石油气、煤气等）的燃烧都将是催化燃烧。 燃烧催化剂主要有两类： 一类是贵金属催化剂，这类催化剂的活性和稳定性均好，但由于贵金属价格太高，资源短缺，所以至今仍未产业化； 另一类是非贵金属催化剂，有大量的研究工作，主要集中在含稀土、碱土取代的钙钛矿型氧化物、六铝酸盐等催化剂的研究方面。 近年来，天然气作为一种清洁、环保的能源，在各个方面得到越来越广泛的应用。 到目前为止，天然气催化燃烧并未实现真正的产业化，限制其应用的技术瓶颈是催化剂的性能还没有达到实用化的要求。 目前天然气催化燃烧对稀土（复合）氧化物材料提出了更高的要求，它必须具备如下几个特点： ①高的比表面； ②发达的孔隙结构，特别是中孔结构； ③高的耐热性能； ④高的储放氧能力。其中储放氧能力、热稳定性又与表面孔隙结构密切相关。 燃料电池是直接将燃料的化学能在等温条件下转化为电能的一种。 ⑵. 燃料电池的优势： ①效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环(两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环)的限制，理论上能量效率可接近80％，实际效率已达50～70%。 ②清洁无污染，氢/氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）。 ③效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额定功率附近可达60％，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达50～55％。 ④过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达200％的额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。 4. 用无公害的生物质作原料 用石灰水高温处理和细菌发酵等简单技术，也能把废生物质转化成动物饲料和工业产品及燃料等有用产品。 以葡萄糖为原料，通过酶反应也可以得到己二酸、邻和对苯二酚等化工产品。尤其是不需要从传统的以苯为原料来制造作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。 5. 选择合适的催化剂，开发原子经济性反应 Barry Trost：原子经济性(Atom Economy)概念 A ＋ B C ＋ D A ＋ B C ＋ ⑵ 生物催化 生物催化剂包括酶、微生物、抗体酶等，是另一类高效催化剂。 生物催化具有选择性高、副反应少、反应条件温和、设备简单等优点。 施贵宝公司在研究治疗高血压新药Omapatrilat的制备过程中，就注重了绿色合成的研究，可以廉价的方式得到中间体B，后经简单地转化就得到了Omapatrilat。 国外制药企业正在大力研究开发固体酸催化剂，如从分子筛、杂多酸、超酸等新催化剂中开发新型固体酸。 20世纪90年代Dow公司相继成功开发出各种分子筛催化剂为芳环引入烃基开辟了一条新工艺。 常规的一些反应收率均大于99.5%，基本接近原子经济反应。 ⑶ 分子筛固体酸催化剂 环境友好，但是：酸强度低，分布不均，酸中心少；因而，反应温度和压力高，产品杂质增多 为克服上述缺点，下一代固体酸催化剂 杂多酸、包裹型液体酸、Nafion/SiO2复合材料、纳米分子筛复合材料、离子液体等 ⑷ 氧化催化剂 据统计全世界50%以上的化学品是与选择性氧化过程有关。 通过氧化将石油烃转化为带有不同含氧基团的有机化合物 典型催化反应的例子 ⑸ 不对称催化 20世纪60年代在欧洲发生的反应停事故。 开发生产单一对映异体的手性药物已成为国际上制药工业的发展方向。目前全世界手性药物的市场份额已超1200亿美元。 手性化合物在香料、食品添加剂、农药等方面的需求也越来越多。 §8.2 汽车尾气处理三效催化剂 随着 城 市 机动车保有量的迅速增加，汽车尾气排放已经成为城市主要的空气污染源