焦峰PB09206066纳米催化表面物理化学课程报告..doc

纳米催化表面物理化学课程报告 焦峰 P09级 化学物理系 中国科学技术大学 摘要： 本文是自己在听了黄伟新老师的关于纳米催化表面物理化学讲座后，查阅了一些相关文献后，总结一些催化相关的基础知识，以及前沿进展,同时包含了自己的一些理解和想法。 专题研究概况： 要想改变一个反应的速率最为常用的方法莫过于加入合适的催化剂了。离开了催化剂很多化学反应可能都没法正常进行。大约有三分之一的反应本身都涉及了催化，如果考虑到整个工业过程的话，至少80%的工业过程中会用到催化。催化剂不仅应用广泛而且对工业经济也有着巨大的贡献。对于一个反应物，如果我们能找到合适的催化剂，让这个反应能完全或者很大比例的转化为我们所需要的产物，这就能达到提高原料利用率，从而降低成本。同时也就减少废料的产生，这也正与当今所提倡的绿色化学的宗旨相吻合，可谓是经济与环保的双赢。 对化学催化的研究至今已经发现了很多非常重要的催化反应体系，包括合成氨反应、石油化工催化反应、加氢脱硫/加氢脱氮、烯烃聚合反应、氢源技术、汽车尾气净化技术、光催化/电催化等，这些催化反应体系与我们的生活息息相关，如合成氨的成功使得化肥大量生产成为可能，对世界粮食短缺问题起到的帮助。石油化工催化使得人们得以更好的利用石油，获取了必要的工业能源。氢源技术又为石油短缺提供了一条解决的途径。而汽车尾气净化技术则是为了我们的环境作出了重要的贡献。 就一个化学反应而言，,化学平衡是由热力学决定的，与催化剂的存在与否无关。但是通过加入合适的催化剂确是可以加速化学反应的进行，或改变化学反应的方向从而得到我们预期的产物。早期由于人们都催化剂的了解不够，导致在很长时间里人们都把催化剂理解成为一个未知原理的黑盒子， 原料中加入催化剂后就可以得到理想的产物。但是关于催化的机理，反应的过程却并不十分清楚。就前面提到的合成氨反应，自从德国化学家Fritz Haber（1868-1934)从1902年开始研究由氮气和氢气合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法。 们一直都在使用它，因为这个反应的发现世界氨产量也一直在迅速的上升，但对于其中催化剂所起到的作用的详细过程人们却一直并不清楚。但是随着近几十年来各种表面灵敏测试分析仪的发展和使用，人们渐渐地开始对催化反应的原理有了一定的了解，并随着仪器的进步以及人们不懈的努力，人们对催化机理的认识也在不断的加深。比如前面提到的合成氨的反应，德国化学家Gerhard Ertl通过测试铁表面合成氨的能量变化，成功的解释了表面化学反应的发生过程，这为现代表面化学研究打造了科学基础，他的方法不仅被用于学术研究，还被用于化学工业开发。他的研究可以解释臭氧层为何会被破坏；还可以帮助我们了解铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车催化剂的原理等。 对于催化的性能的评价通常包括：活性、选择性、稳定性。催化活性即催化剂转化反应物能力的大小通常通过转化率，反应速率，转化频率，活化能，达到相同转化率所需温度等方法来表示。在实际生产中往往选择性的好坏更加重要，为了提高反应速率，我们可以通过提高反应温度来实现。但是对于选择性而言，只有改变催化剂本身来使反应向着我们预期的方向进行。催化反应沿着什么途径进行，与催化剂的种类和性质密切相关，这也正是做催化方向研究的重要内容。 比如一氧化碳与氢气在不同的催化剂和反应条件下可以得到不同的产物，大连化物所最近就通过制备了一种Rh的复合物从而突破性的将CO与H2混合气体转化到了乙醇。由于乙醇是重要的溶剂和化工原料，还是理想的高辛烷值无污染的车用燃料及其添加剂。我国人口众多，而耕地面积不足，总的来说粮食不充裕，而且石油资源相对不足，而煤炭资源相对丰富。因此，研究开发从煤炭资源出发经合成气生产乙醇的技术替代传统的粮食发酵路线，对减少我国粮食的工业消耗和缓解石油资源紧缺的矛盾，提高我国能源安全具有重要的战略意义，这也正体现了催化剂的重要性。 对于催化剂的催化作用通常分为三大类：多相催化反应，均相催化反应以及酶催化。其中应用比较多的是多相催化反应。大量实验事实都表明，气-固相的多相催化作用是反应物分子首先吸附在固体表面的某些部位上，形成活化的表面中间化合物，使反应的活化能降低，反应加速，之后再脱附而得到产物。如下图中，CO的氧化反应就是让CO与O2先吸附于催化剂表面，生成CO2后再脱附。 对于气-固相催化反应来说，固体表面是反应的场所，比表面的大小直接影响反应的速率，增加催化剂的比表面积总是可以提高反应速率，因此人们多采用比表面积大的海绵状或多孔性的催化剂。近年来，由于材料科学的发展，由于纳米材料有着远超过其他材料的比表面积，使得人们更多的将