催化劑研究現狀及應用

摘 要：在現代化學工業過程中，特別是石油及化工工藝過程，催化作用對國民經濟的發展、社會公民的健康以及環境污染的減少產生了重要作用，并依靠催化作用生產出眾多的化學品與化學材料。因此催化劑廣泛應用于各化工生產領域，為化工生產奠定基礎。本文從催化劑的特征、組成結構、分類及應用來介紹催化劑。

關鍵詞：催化劑；催化作用；特征；組成結構；分類；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.047

通常研究一個化學反應體系時，要考慮化學反應是否能夠進行以及化學反應所進行的程度。從經濟角度進行考慮，一個化學反應過程是否能夠應用于工業生產，必須要保證有較高的產率以及較快的反應速率，只有這樣才能降低生產成本，節約資源以及減少能耗，催化劑的催化作用恰恰能夠提高反應的選擇性，縮短到達反應的平衡時間。作為推動化學工業以及石油工業的核心，催化劑及其催化作用在各高新領域面臨著巨大的發展機遇。

1 催化劑的特征

催化劑通常具有四個基本特征：催化劑能夠改變反應歷程進而加快熱力學允許的反應速率，只有熱力學允許并且具有較大的平衡常數的反應，催化劑才能產生作用；催化劑能夠同時加快正逆反應的反應速率，使反應盡快達到平衡；催化劑對反應具有較高的選擇性，當反應朝著不同的方向進行時，催化劑可以使反應朝著生成目的產物的方向進行，提高反應的選擇性與收率；催化劑具有特定的使用壽命，有的反應體系中含有雜質從而引起催化劑中毒，活性部位與化學結構遭到破壞，最終導致催化劑失去活性。

2 催化劑的組成結構

工業過程中普遍使用固體催化劑，且大多為多組元固體催化劑，多組元催化劑是由多種組分結合而成的混合體，并根據各種組分所產生的作用將催化劑分成三個部分：主催化劑是催化劑的活性組分，缺少主催化劑就無法完成催化作用；助催化劑在催化劑中的含量很少，其本身沒有催化活性，其作用通常為抑制副反應的反應活性；載體能夠改變主催化劑的形態與結構，對主催化劑起到良好的分散、黏合與支撐作用。

固體催化劑具有一定的外形與結構，而催化劑結構的不同主要在于晶相結構與孔結構的不同。催化劑包括三個級別的粒子構成：初級粒子、次級粒子與催化劑顆粒，也可根據孔半徑的大小分為微孔、中孔和大孔，微孔孔徑小于1nm，中孔孔徑為1-25nm，大孔孔徑大于25nm。

3 催化劑的分類及應用

3.1 酸堿催化劑

酸堿催化劑主要為主族元素的氧化物、酸、堿和鹽，其對質子或電子對的親和力決定了酸堿催化作用，由于在反應過程中電子成對進行轉移，從而給出或得到一對電子，在液相中催化劑釋放出氫氧根離子或氫離子，從而進行催化反應。

酸堿催化劑主要用于酸堿型機理的催化反應，目前酸堿催化劑廣泛應用于石油化工與石油煉制等工業生產中，尤其是沸石分子篩因具有高效率與低污染的優點，逐漸代替了具有強腐蝕性與高污染的液體催化劑，促進了石油工業催化技術的快速發展。

3.2 金屬催化劑

金屬催化劑主要為過渡金屬元素，活性組分為純金屬或合金，金屬以晶體的形式存在。過渡金屬元素最外層或次外層軌道未被電子填滿，最外層含有1-2個s電子，次外層含有1-10個d電子，因此能級中的未成對電子可使催化劑表面發生物理吸附與化學吸附，活化吸附分子從而完成催化作用。

過渡金屬易將物質吸附在金屬表面，對含氫與烴的反應表現出良好的催化作用，但輕金屬在反應條件下易被氧化，不適用于氧化反應。工業上金屬催化劑常用于烴類加氫、脫氫及氧化反應，還用于氨的合成、費-托合成反應。

3.3 過渡金屬氧化物催化劑

過渡金屬氧化物催化劑主要為過渡金屬元素氧化物，且活性組分大多由兩種及兩種以上氧化物組成，催化過程進行中d電子層易失去或得到電子，催化劑從反應物分子給出電子或得到電子，表現出較強的氧化還原性能，從而完成催化作用。

過渡金屬氧化物催化劑對氧具有較強的親和力，可作為氧化反應的催化劑，但不宜作為加氫反應催化劑，因其可能被還原成金屬。工業上過渡金屬氧化物催化劑常用于氨氧化、氧化脫氫、選擇氧化及氧化等反應。

4 結語

催化劑及其催化作用能夠明顯降低生產成本，減少能源消耗，化學物質的工業生產幾乎離不開催化劑的作用。目前催化劑廣泛應用于石油煉制、石油化工、精細化工、合成材料、基礎無機化工及生物催化，尤其在日益發展的今天，環境污染受到國家與社會重視，催化劑為環境催化提供了可能，它能夠實現污染物的轉化和減少污染排放，節約資源與保護環境。作為眾多化學過程的核心及技術中心點，催化劑以及催化過程的開發將會成為諸多行業的重要推動力量，相信我國催化劑及其催化作用的研究與發展能夠領先于世界水平。

參考文獻：

[1]申志峰，張劍，連善濤.催化裂化催化劑的發展現狀及方向[J].廣東化工，2013，40（18）：78-79.

[2]秦斌.石油化工產業催化劑應用現狀和展望[J].廣州化工，2014，

42（21）：54-56.

[3]王麗娟.主要石油化工催化劑的研究進展[J].石油化工，2012，41

（06）：719-727.

[4]許天華，張天宇.加氫裂化催化劑的應用現狀[J].化工技術與開發，2012，41（11）：50-51.

[5]高志偉，張海濤.國內重油催化裂化催化劑工業應用現狀[J].現代化工，2011，31（08）：9-12.

[6]閆玉玲，王楠洋，宋官龍等.全球催化劑市場工業化進展及前景展望[J].當代化工，2012，41（10）：1076-1078.

作者簡介：孫久義（1998-），男，山東濟寧人，學士在讀，主要從事化學工程相關研究。