第三章催化剂与催化作用-金属氧化物催化剂解析.ppt

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1、第三章第三章 催化剂及其催化作用催化剂及其催化作用4.金属氧化物硫化物及其催化作用金属氧化物硫化物及其催化作用n金属氧化物催化金属氧化物催化剂组剂组成成：常：常为为复合氧化物复合氧化物(Complex oxides)，即多，即多组组分氧化物。分氧化物。VO5-MoO3，Bi2O3-MoO3，TiO2-V2O5-P2O5，V2O5-MoO3-Al2O3，MoO3-Bi2O3-Fe2O3-CoO-K2O-P2O5-SiO2（即（即7组组分的代号分的代号为为C14的第三代生的第三代生产产丙丙烯腈烯腈催化催化剂剂）。）。n组组分中至少有一种是分中至少有一种是过过渡金属氧化物。渡金属氧化物。组组分与分与

2、组组分之分之间间可可能相互作用，作用的情况常因条件而异。复合氧化物系常能相互作用，作用的情况常因条件而异。复合氧化物系常是多相共存，如是多相共存，如Bi2O3-MoO3，就有，就有、和和相。有活性相相。有活性相概念。它概念。它们们的的结结构十分复构十分复杂杂，有固溶体，有，有固溶体，有杂杂多酸，有混多酸，有混晶等。晶等。概述概述n金属催化金属催化剂剂作用和功能作用和功能u有的有的组组分是主催化分是主催化剂剂，有的，有的为为助催化助催化剂剂或者或者载载体。主催体。主催化化剂单剂单独存在独存在时时就有活性，如就有活性，如MoO3-Bi2O3中的中的MoO3；助；助催化催化剂单剂单独存在独存在时时无

3、活性或很少活性，但能使主催化无活性或很少活性，但能使主催化剂剂活性增活性增强强，如，如Bi2O3就是。就是。u助催化助催化剂剂可以可以调变调变生成新相，或生成新相，或调调控控电电子迁移速率，或子迁移速率，或促促进进活性相的形成等。依其活性相的形成等。依其对对催化催化剂剂性能改善的不同，性能改善的不同，有有结结构助构助剂剂，抗，抗烧结烧结助助剂剂，有增，有增强强机械机械强强度和促度和促进进分散分散等不同的助催功能。等不同的助催功能。调变调变的目的是促的目的是促进进活性、活性、选择选择性或性或稳稳定性。定性。概述概述n金属催化剂的应用金属催化剂的应用金属氧化物主要金属氧化物主要催化烃类的选择性氧化

4、催化烃类的选择性氧化。特点特点：反应系高放热的，有效的传热、传质十分重要，：反应系高放热的，有效的传热、传质十分重要，要考虑催化剂的飞温；有反应爆炸区存在，故在条件上有要考虑催化剂的飞温；有反应爆炸区存在，故在条件上有所谓所谓“燃料过剩型燃料过剩型”或或“空气过剩型空气过剩型”两种；这类反应的两种；这类反应的产物，相对于原料或中间物要稳定，故有所谓产物，相对于原料或中间物要稳定，故有所谓“急冷措施急冷措施”，以防止进一步反应或分解；为了保持高选择性，常在，以防止进一步反应或分解；为了保持高选择性，常在低转化率下操作，用第二反应器或原料循环等。低转化率下操作，用第二反应器或原料循环等。概述概述n

5、氧化用的氧化物催化氧化用的氧化物催化剂剂，晶格氧：晶格氧：过过渡金属氧化物，易从其晶格中渡金属氧化物，易从其晶格中传递传递出氧出氧给给反反应应物分子。物分子。组组成含成含2种以上且价种以上且价态态可可变变的阳离子，属非的阳离子，属非计计量量化合物，晶格中阳离子常能交叉互溶，形成相当复化合物，晶格中阳离子常能交叉互溶，形成相当复杂杂的的结结构。构。化学吸附氧：化学吸附氧：金属氧化物，用于氧化的活性金属氧化物，用于氧化的活性组组分分为为化学吸化学吸附型氧物种，吸附附型氧物种，吸附态态可以是分子可以是分子态态、原子、原子态态乃至乃至间间隙氧隙氧（Interstitial Oxygen）。）。吸附氧化

6、吸附氧化层层氧氧：原：原态态不是氧化物，而是金属，但其表面吸不是氧化物，而是金属，但其表面吸附氧形成氧化附氧形成氧化层层，如，如Ag对对乙乙烯烯的氧化，的氧化，对对甲醇的氧化，甲醇的氧化，Pt对对氨的氧化等即是。氨的氧化等即是。概述概述n金属硫化物催化剂金属硫化物催化剂：u与氧化物催化剂类似，也有单组分和复合体系。与氧化物催化剂类似，也有单组分和复合体系。u主要用于重油的加氢精制，加氢脱硫（主要用于重油的加氢精制，加氢脱硫（HDSHDS）、加氢脱氮）、加氢脱氮（HDNHDN）、加氢脱金属（）、加氢脱金属（HDMHDM）等过程。金属氧化物和金）等过程。金属氧化物和金属硫化物大部分是属硫化物大部分

7、是半导体型催化剂半导体型催化剂。概述概述n催化中重要的半催化中重要的半导导体是体是过过渡金属氧化物或硫化物。半渡金属氧化物或硫化物。半导导体体分分为为三三类类：本征半本征半导导体体、n-型半型半导导体体和和p型半型半导导体体。具有具有电电子和空穴两种子和空穴两种载载流子流子传导传导的半的半导导体，叫本征半体，叫本征半导导体体。这类这类半半导导体体对对催化并不重要，因催化并不重要，因为为化学化学变变化化过过程的温度，一般程的温度，一般在在300-700，不足以，不足以产产生生这这种种电电子子跃跃迁。依靠与金属原子迁。依靠与金属原子结结合的合的电电子子导电导电，叫，叫n-型（型（Negative

8、Type）半）半导导体。体。靠晶靠晶格中格中正离子空穴正离子空穴传递传递而而导电导电，叫，叫p-型（型（Positive Type）半）半导导体。体。半导体的能带结构及其催化活性半导体的能带结构及其催化活性nn-型半型半导导体氧化物体氧化物：n-型半型半导导体的有体的有ZnO、Fe2O3、TiO2、CdO、V2O5、CrO3、CuO等，在等，在空气中受空气中受热时热时失去氧失去氧（留下（留下电电子），阳子），阳离子氧化数降低，直至离子氧化数降低，直至变变成原子成原子态态。np-型半型半导导体氧化物体氧化物：p-型半型半导导体的有体的有NiO、CoO、Cu2O、PbO、Cr2O3等，等，在在空气

9、中受空气中受热获热获得氧（得氧（电电子子转转移到氧），移到氧），阳离子氧化数升阳离子氧化数升高，高，同同时时造成晶格中正离子缺位造成晶格中正离子缺位。半导体的能带结构及其催化活性半导体的能带结构及其催化活性nn-型半型半导导体和体和p-型半型半导导体氧化物都是非体氧化物都是非计计量化合物量化合物u如在如在n-型半型半导导体体ZnO1x中，缺氧存在有中，缺氧存在有Zn+离子的离子的过过剩，剩，由于晶格要保持由于晶格要保持电电中性，中性，过过剩的剩的Zn+离子拉住一个离子拉住一个电电子在子在附近，形成成附近，形成成eZn+，在靠近在靠近导带导带附近形成一附加能附近形成一附加能级级。这这个个电电子可

10、以子可以认为认为是施主，所在的能是施主，所在的能级为级为施主能施主能级级。当温。当温度升高，度升高，电电子子跃跃迁到空迁到空带带形成形成导带导带。接受。接受电电子的能子的能级为级为受受主能主能级级导带导带施主能级施主能级0.01eV满带满带电子空穴能级电子空穴能级半导体的能带结构及其催化活性半导体的能带结构及其催化活性u如在如在p-型半型半导导体体NiO1+x中，由于中，由于过过剩剩O，从而，从而产产生正离子空生正离子空穴穴(），），这这是是NiO导电导电的来源。正离子空穴的来源。正离子空穴(）为为受主能受主能级级，价，价带电带电子所在的能子所在的能级为级为施主能施主能级级。受主能级0.01e

11、V价带价带导带导带正电荷空穴能级正电荷空穴能级半导体的能带结构及其催化活性半导体的能带结构及其催化活性u费米能级的理解：费米能级的理解：（1）费米能级是）费米能级是绝对零度时电子的最高能级绝对零度时电子的最高能级。（2）在费米能级）在费米能级Ef，被电子充填的几率和不充填的几率是，被电子充填的几率和不充填的几率是相同的，也就是说相同的，也就是说Fermi能级就是电子能级就是电子 填充一半时的能级填充一半时的能级（3）费米子按照一定的规则（例如泡利原理等）填充在各）费米子按照一定的规则（例如泡利原理等）填充在各个可供占据的量子能态上，并且这种填充过程中每个费米子个可供占据的量子能态上，并且这种填

12、充过程中每个费米子都首先占据都首先占据 最低的可供占据的最低的可供占据的 量子态。量子态。最后一个费米子占最后一个费米子占据着的量子态据着的量子态 即可粗略理解为即可粗略理解为 费米能级费米能级 半导体的能带结构及其催化活性半导体的能带结构及其催化活性u半导体费米能级与逸出功的关系半导体费米能级与逸出功的关系本征半导体，本征半导体，EF在满带和导在满带和导带之间带之间本征N型半导体，型半导体，EF在施主能级和导在施主能级和导带之间带之间P型半导体，型半导体，EF在受主能级和满在受主能级和满带之间带之间N型P型(1)晶格氧（晶格氧（O2-）起催化作用）起催化作用uV2O5上氧化制苯酐时，当催化剂

13、处于氧气流和烃气流的稳上氧化制苯酐时，当催化剂处于氧气流和烃气流的稳态下反应，如果使态下反应，如果使O2供应突然中断，催化反应仍将继续进行供应突然中断，催化反应仍将继续进行一段时间，以不变的选择性进行运转。若催化剂还原后，其一段时间，以不变的选择性进行运转。若催化剂还原后，其活性下降；当供氧恢复，反应再次回到原来的稳态。这些实活性下降；当供氧恢复，反应再次回到原来的稳态。这些实验事实说明，是验事实说明，是晶格氧（晶格氧（O2-）起催化作用）起催化作用uBi2O3-Mo2O3上氧化丙烯制丙烯醛，催化剂用上氧化丙烯制丙烯醛，催化剂用O18，氧气用，氧气用O16，发现反应后，催化剂上有，发现反应后，

14、催化剂上有O18，丙烯醛有，丙烯醛有O18，说明晶，说明晶格氧参与了反应。格氧参与了反应。氧化物表面的氧化物表面的M=OM=O键性质与催化剂活性和选键性质与催化剂活性和选择性的关联择性的关联（2）金属与氧的键合和）金属与氧的键合和M=O键类型键类型 u以以Co2+的氧化键合为例，的氧化键合为例，uCo2+O2+Co2+Co3+-O-Co3+u可以有可以有3种不同的成键方式成种不同的成键方式成M=O的的-双键结合。双键结合。u（a）金属）金属Co的的eg轨道与轨道与O2的孤对电子形成的孤对电子形成键；键；u（b）金属）金属Co的的eg轨道与轨道与O2的的分子轨道形成分子轨道形成键；键；u（c）金

15、属）金属Co的的t2g轨道（轨道（dxy，dxz，dyz）与）与O2的的*分子轨分子轨道开成道开成键。键。氧化物表面的氧化物表面的M=OM=O键性质与催化剂活性和选键性质与催化剂活性和选择性的关联择性的关联（3）M=O键能大小与催化剂表面脱氧能力键能大小与催化剂表面脱氧能力u复合氧化物催化剂给出氧的能力，是衡量它是否能进行选复合氧化物催化剂给出氧的能力，是衡量它是否能进行选择性氧化的关键。如果择性氧化的关键。如果M=O键解离出氧（级予气相的反应键解离出氧（级予气相的反应物分子）的热效应物分子）的热效应HD小，则给出易，催化剂的活性高，小，则给出易，催化剂的活性高，选择性小；如果选择性小；如果H

16、D大，则给出难，催化剂活性低；只有大，则给出难，催化剂活性低；只有HD适中，催化剂有中等的活性，但选择性好。适中，催化剂有中等的活性，但选择性好。氧化物表面的氧化物表面的M=OM=O键性质与催化剂活性和选键性质与催化剂活性和选择性的关联择性的关联n复合氧化物催化剂多数为晶体（多晶）复合氧化物催化剂多数为晶体（多晶）n具有某一种特定的晶格结构的新化合的的生成，需要满足具有某一种特定的晶格结构的新化合的的生成，需要满足3个方面的要求：个方面的要求：u控制化学计量关系的价态平衡；控制化学计量关系的价态平衡；u控制离子间大小相互取代的可能；控制离子间大小相互取代的可能；u修饰理想结构的配位情况变化，这

17、种理想结构是基于假修饰理想结构的配位情况变化，这种理想结构是基于假定离子是刚性的，不可穿透的，非畸变的球体。定离子是刚性的，不可穿透的，非畸变的球体。u实际复合金属氧化物催化剂的结构，常是有晶格缺陷的，实际复合金属氧化物催化剂的结构，常是有晶格缺陷的，非化学计量的，且离子是可变形的。非化学计量的，且离子是可变形的。复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构n任何稳定的化合物，必须满足化学价态的平衡。当晶格中任何稳定的化合物，必须满足化学价态的平衡。当晶格中发生高价离子取代低价离子时，就要结合高价离子和因取代发生高价离子取代低价离子时，就要结合高价离子和因取代而需要的晶格阳离子空位以满足这种要

18、求。例如而需要的晶格阳离子空位以满足这种要求。例如Fe3O4的的Fe离子，若按离子，若按-Fe2O3中的电价平衡，晶体中有中的电价平衡，晶体中有8/3的的Fe3+，1/3的阳离子空穴。阳离子一般小于阴离子。可以书写成的阳离子空穴。阳离子一般小于阴离子。可以书写成n晶格结构总是由配置于阳离子周围的阴离子数所决定。对晶格结构总是由配置于阳离子周围的阴离子数所决定。对于二元化合物，配位数取决于阴阳离子的半径比，即于二元化合物，配位数取决于阴阳离子的半径比，即=r阳阳/r阴阴。最后还有考虑离子的极化。因为极化作用能使围绕一。最后还有考虑离子的极化。因为极化作用能使围绕一个电子的电荷偏移，使其偏离理想化

19、的三维晶格结构，以致个电子的电荷偏移，使其偏离理想化的三维晶格结构，以致形成层状结构，最后变为分子晶体，变离子键为共价键。形成层状结构，最后变为分子晶体，变离子键为共价键。复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（1）尖晶石结构的催化性能）尖晶石结构的催化性能 n尖晶石是一种天然矿物质尖晶石是一种天然矿物质MgAl2O4。与此种结构相同的复。与此种结构相同的复氧化物还有很多，构成尖晶石型复氧化物系列。尖晶石的化氧化物还有很多，构成尖晶石型复氧化物系列。尖晶石的化学组成通式为学组成通式为AB2O4n很多具有尖晶石结构的金属氧化物常用作氧化和脱氢过程很多具有尖晶石结构的金属氧化物常用作氧化和脱

20、氢过程的催化剂。其结构通式可写成的催化剂。其结构通式可写成AB2O4。其单位晶胞含有。其单位晶胞含有32个个O=负离子，组成立方紧密堆积，对应于式负离子，组成立方紧密堆积，对应于式A8B16O32。正常晶。正常晶格中，格中，8个个A原子各以原子各以4个氧原子以正四面体配位；个氧原子以正四面体配位；16个个B原子原子各以各以6个氧原子以正八面体配位个氧原子以正八面体配位。正常的尖晶石结构，。正常的尖晶石结构，A原子原子占据正四面体位占据正四面体位，B原子占据正八面体位，见图原子占据正八面体位，见图4.41。复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（1）尖晶石结构）尖晶石结构 A-四面体配位，

21、四面体配位，B八面体配位八面体配位复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（1）尖晶石结构）尖晶石结构 就就AB2O4尖晶石型氧化物来说，尖晶石型氧化物来说，8个负电荷可用个负电荷可用3种不同种不同方式的阳离子结合的电价平衡：方式的阳离子结合的电价平衡：2,3价态结合的尖晶石结构占绝大多数价态结合的尖晶石结构占绝大多数，约为，约为80%；阴离子除；阴离子除O=外还可以是外还可以是S=、Se=或或Te=。A2+离子可以是离子可以是Mg+、Ca+、Cr+、Mn+、Fe+、Co+、Ni+、Cu+、Zn+、Cd+、Hg+或或Sn+；B3+可以是可以是Al3+、Ga3+、In3+、Ti+、V3+、C

22、r3+、Mn3+、Fe3+、Co3+、Ni3+或或Rh3+。其次是。其次是4,2结合的尖晶石结结合的尖晶石结构，约占构，约占15%；阴离子主要是；阴离子主要是O=或或S=。6,1结合的只有少数几结合的只有少数几种氧化物系，如种氧化物系，如MoAg2O4，MoLi2O4以及以及WLi2O4。复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（2）钙钛矿结构）钙钛矿结构n这是一类化合物，其晶格结构类似于矿物这是一类化合物，其晶格结构类似于矿物CaTiO3，是可用，是可用通式通式ABO3表示的氧化物。表示的氧化物。A是一个大的阳离子，是一个大的阳离子，B是一个是一个小的阳离子。在高温下钙钛矿型结构的单位晶

23、胞为正立方小的阳离子。在高温下钙钛矿型结构的单位晶胞为正立方体，体，A位于晶胞的中心，位于晶胞的中心，B位于正立方体顶点。此中位于正立方体顶点。此中A的配的配位数为位数为12,B的配位数为的配位数为6.n结构要求：结构要求：A AO OB B复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（2）钙钛矿结构）钙钛矿结构具有这三种计量关系的钙钛矿型化合物有具有这三种计量关系的钙钛矿型化合物有300多种，覆盖了多种，覆盖了很大范围。很大范围。具有多种特有性能：介电、超导、压电、超兹等具有多种特有性能：介电、超导、压电、超兹等钙钛矿结构氧化物用于汽车尾气处理、燃料电池、光催化钙钛矿结构氧化物用于汽车尾气处

24、理、燃料电池、光催化等，机理包括氧化、还原、自由基等等，机理包括氧化、还原、自由基等钙钛矿钙钛矿XRD复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构（2）钙钛矿复合氧化物合成及其应用实例）钙钛矿复合氧化物合成及其应用实例纳米钙钛矿纳米钙钛矿复合氧化物合成复合氧化物合成钙钛矿复合氧化物钙钛矿复合氧化物催化剂应用（分解催化剂应用（分解H2O2）复合氧化物催化剂的结构复合氧化物催化剂的结构p金属硫化物催化剂及其催化剂作用金属硫化物催化剂及其催化剂作用n金属硫化物与金属氧化物有许多相似之处，它们大多数金属硫化物与金属氧化物有许多相似之处，它们大多数都是半导体类型的，具有氧化还原功能和酸碱功能，更都是半导

25、体类型的，具有氧化还原功能和酸碱功能，更主要的是前者。作为催化剂可以是单组分形式或复合硫主要的是前者。作为催化剂可以是单组分形式或复合硫化物形式。这类催化剂主要用于加氢精制过程。通过加化物形式。这类催化剂主要用于加氢精制过程。通过加氢反应将原料或杂质中会导致催化剂中毒的组分除去。氢反应将原料或杂质中会导致催化剂中毒的组分除去。工业上用于此目的的有工业上用于此目的的有Rh和和Pt族金属硫化物或负载于活族金属硫化物或负载于活性炭上的负载型催化剂。属于非计量型的复合硫化物，性炭上的负载型催化剂。属于非计量型的复合硫化物，有以有以Al2O3为载体，以为载体，以Mo、Co等硫化物形成的复合等硫化物形成的

26、复合型催化剂。型催化剂。p金属硫化物催化剂及其催化剂作用金属硫化物催化剂及其催化剂作用n硫化物催化剂的活性相，一般是其氧化物母体先经高温硫化物催化剂的活性相，一般是其氧化物母体先经高温熔烧，形成所需要的结构后，再在还原气氛下硫化。硫熔烧，形成所需要的结构后，再在还原气氛下硫化。硫化过程可在还原之后进行，也可还原过程中用含硫的还化过程可在还原之后进行，也可还原过程中用含硫的还原气体边还原边硫化，还原时产生氧空位，便于硫原子原气体边还原边硫化，还原时产生氧空位，便于硫原子插入。常用的硫化剂是插入。常用的硫化剂是H2S和和CS2。硫化后催化剂含硫量。硫化后催化剂含硫量越高对活性越有利。硫化度与硫化温

27、度的控制、原料气越高对活性越有利。硫化度与硫化温度的控制、原料气中的含硫量有关。使用中因硫的流失导致催化剂活性下中的含硫量有关。使用中因硫的流失导致催化剂活性下降，一般可重新硫化复活。降，一般可重新硫化复活。p金属硫化物催化剂及其催化剂作用金属硫化物催化剂及其催化剂作用（1）加氢脱硫及其相关过程的作用机理）加氢脱硫及其相关过程的作用机理n在涉及煤和石油资源的开发利用过程中，需要脱硫处理。在涉及煤和石油资源的开发利用过程中，需要脱硫处理。而硫是以化合状态存在，如烷基硫、二硫化物以及杂环而硫是以化合状态存在，如烷基硫、二硫化物以及杂环硫化物，尤其是硫茂（噻吩）及其相似物。硫的脱除涉硫化物，尤其是硫

28、茂（噻吩）及其相似物。硫的脱除涉及催化加氢脱硫过程（及催化加氢脱硫过程（HDS），先催化加氢生成），先催化加氢生成H2S与烃，与烃，H2S再氧化生成单质硫加以回收。烷基硫化物易于反应，再氧化生成单质硫加以回收。烷基硫化物易于反应，而杂环硫化物较稳定而杂环硫化物较稳定（难脱出）（难脱出）。从催化角度看，它涉。从催化角度看，它涉及加氢与及加氢与S-C键断裂，可以首先考虑金属，它们是活化氢键断裂，可以首先考虑金属，它们是活化氢所必须的，也能使许多单键氢解。所必须的，也能使许多单键氢解。金属氧化物硫化物催化剂及其催化作用金属氧化物硫化物催化剂及其催化作用p金属硫化物催化剂及其催化剂作用金属硫化物催化剂

29、及其催化剂作用（2）重油的催化加氢精制）重油的催化加氢精制 n在原油进行加工处理之前，需要将含硫量降低到一定的在原油进行加工处理之前，需要将含硫量降低到一定的水平。于是硫的脱除伴随有催化加氢脱硫精制。除硫外，水平。于是硫的脱除伴随有催化加氢脱硫精制。除硫外，重油中还含有一定量的氮，它比硫含量一般小一个数量重油中还含有一定量的氮，它比硫含量一般小一个数量级，因为这些含氮的有机物具有碱性，会使酸性催化剂级，因为这些含氮的有机物具有碱性，会使酸性催化剂中毒，含于燃料油品中会污染大气，因此发展了与中毒，含于燃料油品中会污染大气，因此发展了与HDS相似的过程，即相似的过程，即HDN工艺。工艺。第四节、金

30、属氧化物硫化物催化剂及其催化作用第四节、金属氧化物硫化物催化剂及其催化作用p金属硫化物催化剂及其催化剂作用金属硫化物催化剂及其催化剂作用n（3）加氢脱金属）加氢脱金属n原油中，尤其是一次加工后的常压渣油中和减压渣油中，含原油中，尤其是一次加工后的常压渣油中和减压渣油中，含有多种金属和有机金属化合物，它们主要是、有多种金属和有机金属化合物，它们主要是、Ni、Fe、Pb以及以及As、P等。在加氢脱硫过程中，氢解为金属或金属硫等。在加氢脱硫过程中，氢解为金属或金属硫化物，沉积于催化剂剂表面，造成催化剂中毒或堵塞孔道，化物，沉积于催化剂剂表面，造成催化剂中毒或堵塞孔道，故要求在石油炼制和油品使用之前将它们除去，这就是故要求在石油炼制和油品使用之前将它们除去，这就是HDM，即加氢脱金属过程。有关，即加氢脱金属过程。有关HDM技术是当代工业催技术是当代工业催化剂研究的前沿。化剂研究的前沿。