催化剂的作用

催化剂是能显著改变反应速率，且其自身的化学性质和数量在反应前后均保持不变的物质。催化剂在化学反应中有重要的地位。催化剂具有以下特点：①它能改变反应所需的活化能，改变反应速率;②在可逆反应中，对正逆反应都有催化作用;③在某一反应中，只有某种特定的催化剂能够发生催化反应等等。

催化剂的作用

1、催化裂化

裂化的目的是将廉价的重质油在高温下裂解成分子较小的碳氢化合物(如汽油)。并同时获得烯烃硬芳烃等化工原料。裂化反应在不使用催化剂的高温高压(高于650℃，1.5～2.0MPa)下进行，一般称为热裂化;也可在较低温度及压力(415～525℃，0.07～0.13MPa)下进行，此即为催化裂化。

催化裂化由于使用催化剂，比热裂化具有更多优点，如催化裂化所产汽油辛烷值高，安定性也好，适于作高压缩比汽油发动机的燃料，不易发生爆震现象。热裂化的汽油、柴油产率一般只有65%～70%，而催化裂化可达80%左右。热裂化装置在生产中由于会发生生焦现象，炉管会不断结焦。结焦达到一定程度就必须停工烧焦。而催化裂化则不受这种限制，只要采取适当措施减少设备腐蚀及磨损，就可延长开工周期。所以，自1930年催化裂化工艺开发成功以来，已成为裂化的主要工艺。

催化裂化催化剂早期使刚天然白土，其主要成分是硅酸铝，由于质量差，以后为合成硅铝催化剂所替代。自1960年开始，又开发出性能更好的分子筛催化剂。分子筛的种类很多，工业上常用的有A型、X型、Y型沸石及丝光沸石等，而用作裂化催化剂的主要是Y型使用分子筛的优点是：裂化时汽油产率、辛烷值提高。

2、催化重整

催化重整是现代炼油和石油化工的主要加工方法之一，目的是利用催化剂的作用将直馏汽油中的烃分子重新排列，以提高汽油的辛烷值，同时生产出具有宝贵用途的芳烃。

所谓“催化重整”就是烃类的分子结构重新排列成新的结构的意思：在有催化剂存在的条件下，对汽油馏分进行重整就叫做催化重整。催化重整的主要目的是制取苯、甲苯和二甲苯等芳烃，或生产高辛烷值汽油。汽油在热作用下，进行的重整过程称为热重整，它需在530～580℃的高温，3～7MPa的压力下进行。在这种条件下，汽油辛烷值也可以提高，但过程的收率低、产品质量不好。

催化重整反应十分复杂，仅就链烷烃芳构化过程而言，中间要经过好几个步骤，它们都需在催化剂存在下才能发生，这就要求催化剂必须具备多种功能。一种是酸性功能促进异构化作用发生;另一种是脱氢功能。

Z初的催化重整是使用铬、钼、钴等金属氧化物为活性组分的催化剂，在固定床反应器上进行。由于催化剂活性不高、寿命又短，没有得到发展。

1947～1949年问，铂重整问世，这是催化重整重大的革新。铂是具有强烈吸引氢原子能力的金属，它对脱氢芳构化反应有很好的催化功能，所以成为催化重整常用的催化剂金属。铂重整的问世，使重整转化率、芳烃收率有很大提高，而且操作温度及压力下降。以后，随着双金属(如铂-铼)催化剂和多金属催化剂的出现，催化剂活性和稳定性有更大提高，重整工艺更趋合理。

3、氧化还原反应

氧化还原反应是人们熟知的合成无机和有机产品的重要反应。它包括氧化反应、加氢反应及脱氢反应。在石油化工中，为了生产各种原料及中间体，经常通过氧化、加氢、脱氢等反应过程来达到目的。

由过渡金属氧化物所催化的部分氧化反应，是将碳氢化合物转化成高附加值化学中间体Z常使用的工艺过程，这类中间体通常含有CHO、COOH、C=C及CN等基团物质。设计这类反应用的催化剂，必须能提供适量的氧原子进人反应物中，生成所希望的产物，但又不能发生进一步的氧化生成CO及CO2。

因此，部分氧化反应催化剂的开发一直受到重视。如苯氧化制顺酐在1928年就已工业化，所用催化剂主要为氧化钒与氧化钼，并添加少量氧化钠;载体为氧化铝，它占总量的80%。到1961年，又研制出添加少量磷酸盐及镍的催化剂，但主要成分仍为氧化钒与氧化钼，反应转化率达到98%，正常操作条件下催化剂使用寿命可达到2～3年。

4、加氢脱硫反应

合成氨工业已有几十年的历史。二十世纪六十年代后，由于石油烃蒸汽加压转化制合成气技术的发展，国外新建大型氨厂都采用石油轻质烃和天然气为原料进行氨的生产。我国近期建造的大型氨厂也大都采用石脑油或天然气等为原料，而以烃类为原料生产合成氨以及燃料油精制过程都含有加氢脱硫工艺。

利用加氢脱硫反应处理原料油的目的有下面几种：

①防止后处理工艺所用催化剂中毒，如石脑油加氢脱硫是为了防止催化重整工艺所用催化剂中毒而失去活性。

②避免因原料油中存在的硫化物腐蚀设备。

③燃料油经加氢脱硫，可以减少排气中的硫氧化物含量，减轻环境污染。

5、烯烃聚合反应

目前世界上所用.的绝大多数塑料都属于聚丙烯或聚乙烯。Z初的烯烃聚合反应均是在高温高压下进行，随着Z-N催化剂的发现和发展，现阶段大多数石化企业的塑料厂均采用低温低压工艺生产各种牌号的聚丙烯和聚乙烯塑料，这可以大大减少产品的生产成本。

进入21世纪以来，聚烯烃催化剂向着第四和第五代催化剂的方向发展。diyi到第三代催化剂活性较低，粒形规整性差。第四代催化剂是采用新型内给电子体的Z-N催化剂，它的显著特点是活性高，聚合物立体规整度好。第五代催化剂主要指茂金属催化剂，它完全不同于传统的Z-N催化剂，具有活性高、相对分子质量分布窄的显著特点。目前，第四和第五代催化剂仍未完全取代传统的Z-N催化剂，只在某些特殊牌号塑料的生产中使用。

绿色催化剂

1、光催化剂

这是一类借助光的激发而进行催化反应的催化剂，如ZnO-CuO-H2O2，在紫外光作用下，可对染料废水进行催化脱色，脱色率近。TiO2光催化剂光解二lv乙酸、光的光解制氢、CO2的光催化固碳都是为未来解决能源、人工光合作用的主要催化反应。

2、电极催化剂

在这类电化学反应中，电极既是电化学反应的反应物场所，也是供应和接收电子的场所，故兼有催化和促进电子迁移的双重功能。通过外部电路调控电极电位，可对反应条件、反应速率进行调控。

3、酶催化剂

酶催化剂可以说时一种真正的绿色催化剂，它是一种能加速特殊反应的生物分子，有近乎专一的催化性能。例如可以苯为原料制乙二酸，原料苯是强致癌物质，且整个操作过程在高温、高压下进行，所用硝酸对设备腐蚀严重，有毒性。生产成本高，投资大。

固氮酶是某些微生物在常温常压下固氮成氨的主要催化剂，它能将生物体中无法直接利用的分子氮(N2)转化成可利用的氨态氮，而且不需要如工业合成氨过程那样消耗大量的能源，不降低土壤活性，不污染环境，全球每年约有22.4亿吨的氨态氮是通过微生物的固氮过程实现的，约占全球氮资源的65%，而工业合成氨过程提供约25%。

4、膜催化剂

膜催化剂是将催化剂制成膜反应器，反应物可选择性的穿越催化膜并发生反应，产物也可以选择性的穿过膜而离开反应区域，从而有效地调节反应区域内的反应物和产物的浓度，这也是将膜技术和催化综合的一种催化工艺。

催化剂与催化反应

按催化反应系统物相的均一性进行分类，可将催化反应分为均相催化、非均相催化和酶催化反应。

1、均相催化反应

均相催化反应是指反应物和催化剂居于同一相态中的反应。催化剂和反应物均为气相的催化反应称为气相均相催化反应。例如，SO2与O2在催化剂NO作用下氧化为SO3的催化反应。反应物和催化剂均为液相的催化反应称为液相均相催化反应。例如，乙酸和乙醇在硫酸水溶液催化作用下生成乙酸乙酯的反应。

均相催化体系的催化剂主要包括酸碱催化剂和可溶性过渡金属化合物(盐类和配合物)催化剂两大类。此外还有少数非金属分子催化剂，如I2、NO等。均相催化剂是以分子或离子水平独立起作用的，活性中心性质比较均一，与反应物的暂时结合比较容易用光谱、波谱以及同位素示踪法进行检测和跟踪，催化反应动力学方程一般也不太复杂，因而相当多的均相催化反应动力学及其机理已经研究得较清楚。

实验表明，有机化合物的酸催化反应一般是通过正碳离子机理进行的，而过渡金属化合物催化剂在均相反应中所起的作用，多数情形是通过络合使反应分子(或反应分子之一)中要起反应的基团变得比较活泼(络合活化)，使其能在配位上进行反应而转化为产物。这就是所谓的络合催化或配位催化。还有少数情况，其中催化剂是通过引发自由基型的反应，并不断再生而起催化作用的。这些作用机制有时也能移植于多相催化体系而对某些过程作相应的解释。

虽然均相络合物催化剂有良好的催化性能，但在大规模生产中会不可避免地引起一系列问题，如催化剂与介质分离困难、体系不稳定等，所以从技术开发角度出发而提出的杂化催化剂，即均相催化剂的多相化，在络合催化中具有相当广阔的发展前景。

2、非均相(又称多相)催化反应

非均相催化反应是指反应物和催化剂居于不同相态的反应。

由气体反应物与固体催化剂组成的反应体系，称之为气固相催化反应，如乙炔和氢气在负载钯的固体催化剂上加氢生成乙烯的反应。

由液态反应物与固体催化剂组成的反应体系，称为液固相催化反应，如在Ziegler-Natta催化剂作用下的丙烯聚合反应。

由液态和气态两种反应物与固体催化剂组成的反应体系，称为气液固三相催化反应，如苯在雷尼镍催化剂上加氢生成环己烷的反应。

由气态反应物与液相催化剂组成的反应体系，称为气液相催化反应，如乙烯与氧气在PdCI2-CuCl2水溶液催化剂作用下氧化生成乙醛的反应。

这种分类方法对于从反应系统宏观动力学因素考虑和工艺过程的组织是有意义的，因为在均相催化反应中，催化剂与反应物是分子与分子之间的接触，通常质量传递过程对动力学的影响较小;而在非均相催化反应中，反应物分子必须从气相(或液相)向固体催化剂表面扩散(包括内外扩散)，表面吸附后才能进行催化反应，在很多场合下都要考虑扩散过程对动力学的影响。

在非均相催化反应中，催化剂和反应器的设计与均相催化反应不同，它要考虑传质过程的影响。然而，上述分类方法不是的，近年来又有新的发展，即不是按整个反应系统的相态均一性进行分类，而是按反应区的相态的均一性分类。如前述乙烯氧化制乙醛的反应，按整个反应体系相态分类为非均相(气-液相)催化反应，但按反应区的相态分类则是均相催化反应，因为在反应区内乙烯和氧均溶解于催化剂水溶液中才能发生反应。

3、酶催化反应

如果按照生物催化剂的出现来看催化化学，那么可以说催化是存在于大自然中的。

生物体内有成百上千种生物催化剂，它们具有比一般化学催化剂高得多的催化活性和选择性。这种生物催化剂俗称酶，是一种具有催化作用的蛋白质(包括复合蛋白质)。

酶是活细胞的成分，由活细胞产生，但它们能在细胞内和细胞外起同样的催化作用。也就是说，虽然酶是细胞的产物，但并非必须在细胞内才能起作用。正是由于酶的这种独特的催化功能，使它在工业、农业和医药等领域有着重要的作用。

酶催化反应的特点是催化剂酶本身是一种胶体，可以均匀地分散在水溶液中，对液相反应物而言，可认为是均相催化反应。但是在反应时，反应物却需在酶催化剂表面上进行积聚，由此而言又可认为是非均相催化反应。因此，酶催化反应同时具有均相和非均相反应的性质。

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