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催化劑
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項(xiàng)
1836年貝采里烏斯提出的概念
在化學(xué)反應(yīng)里能改變反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率（提高或降低）而不改變化學(xué)平衡，且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)叫催化劑（固體催化劑也叫觸媒）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有90%以上的工業(yè)過程中使用催化劑，如化工、石化、生化、環(huán)保等。催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中占有極其重要的地位，例如，合成氨生產(chǎn)采用鐵催化劑，硫酸生產(chǎn)采用釩催化劑，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡膠等三大合成材料的生產(chǎn)中，都采用不同的催化劑。
基本信息
| 中文名 | 催化劑 |
| 外文名 | Catalyst |
| 發(fā)現(xiàn)時(shí)間 | 1981年 |
| 作用 | 改變反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)速率 |
| 應(yīng)用 | |
| 提出時(shí)間 | 1836年 |
收起
發(fā)現(xiàn)
催化劑
貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)，原來酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，發(fā)現(xiàn)手上沾滿了在實(shí)驗(yàn)室研磨白金時(shí)給沾上的鉑黑。他興奮地把那杯酸酒一飲而盡。原來，把酒變成醋酸的魔力是來源于白金粉末，是它加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了醋酸。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用或催化作用，希臘語的意思是“解去束縛”。
1836年，他還在《物理學(xué)與化學(xué)年鑒》雜志上發(fā)表了一篇論文，首次提出化學(xué)反應(yīng)中使用的“催化”與“催化劑”概念。
基本定義
根據(jù)國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)1981年的定義：催化劑是一種改變反應(yīng)速率但不改變反應(yīng)總標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的物質(zhì)。這種作用稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)。
催化劑自身的組成、化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后不發(fā)生變化；它和反應(yīng)體系的關(guān)系就像鎖與鑰匙的關(guān)系一樣，具有高度的選擇性（或?qū)Ｒ恍裕?。一種催化劑并非對(duì)所有的化學(xué)反應(yīng)都有催化作用；某些化學(xué)反應(yīng)并非只有唯一的催化劑。
其他定義
也有一種說法，催化劑參與化學(xué)反應(yīng)。在一個(gè)總的化學(xué)反應(yīng)中，催化劑的作用是降低該反應(yīng)發(fā)生所需要的活化能，本質(zhì)上是把一個(gè)比較難發(fā)生的反應(yīng)變成了兩個(gè)很容易發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（與之相反的稱為抑制劑）。在這兩個(gè)反應(yīng)中，第一個(gè)反應(yīng)中催化劑扮演反應(yīng)物的角色，第二個(gè)反應(yīng)中催化劑扮演生成物的角色，所以說從總的反應(yīng)方程式上來看，催化劑在反應(yīng)前后沒有變化。
一般來說，催化劑是指參與化學(xué)反應(yīng)中間歷程的，又能選擇性地改變化學(xué)反應(yīng)速率，而其本身的數(shù)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后基本保持不變的物質(zhì)。通常把催化劑加速化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)盡快達(dá)到化學(xué)平衡的作用叫做催化作用，但并不改變反應(yīng)的平衡。
特征
催化反應(yīng)有四個(gè)基本特征，可以根據(jù)定義導(dǎo)出，對(duì)了解催化劑的功能很重要。
1、催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進(jìn)行的反應(yīng)。要求開發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)催化劑時(shí)，首先要對(duì)反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，看它是否是熱力學(xué)上可行的反應(yīng)。
3、催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性，當(dāng)反應(yīng)可能有一個(gè)以上不同方向時(shí)，催化劑僅加速其中一種，促進(jìn)反應(yīng)速率和選擇性是統(tǒng)一的。
4、催化劑的壽命。催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)速率，其自身并不進(jìn)入反應(yīng)，在理想情況下催化劑不為反應(yīng)所改變。但在實(shí)際反應(yīng)過程中，催化劑長期受熱和化學(xué)作用，也會(huì)發(fā)生一些不可擬的物理化學(xué)變化。
根據(jù)催化劑的定義和特征分析，有三種重要的催化劑指標(biāo)：活性、選擇性、穩(wěn)定性。
催化劑的組成
絕大多數(shù)催化劑有三類可以區(qū)分的組分：活性組分、載體、助催化劑。
活性組分
活性組分是催化劑的主要成分，有時(shí)由一種物質(zhì)組成，有時(shí)由多種物質(zhì)組成。
活性組分分類：
類別 | 導(dǎo)電性（反應(yīng)類型） | 催化反應(yīng)舉例 |
金屬 | 選擇性加氫；選擇性氫解；選擇性氧化 | |
半導(dǎo)體（氧化還原） | 選擇性加氫、脫氫；氫解；氧化 | |
絕緣體（碳離子反應(yīng)，酸堿反應(yīng)） | 聚合、異構(gòu)；裂化；脫水 |
助催化劑
助催化劑是加入到催化劑中的少量物質(zhì)，是催化劑的輔助成分，其本身沒有活性或者活性很小，但是它們加入到催化劑中后，可以改變催化劑的化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、離子價(jià)態(tài)、酸堿性、晶格結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、分散狀態(tài)、機(jī)械強(qiáng)度等，從而提高催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性和壽命。
主要分類
均相催化
催化劑和反應(yīng)物同處于一相，沒有相界存在而進(jìn)行的反應(yīng)，稱為均相催化作用，能起均相催化作用的催化劑為均相催化劑。均相催化劑包括液體酸、堿催化劑和色可賽思固體酸和堿性催化劑、可溶性過渡金屬化合物(鹽類和絡(luò)合物)等。均相催化劑以分子或離子獨(dú)立起作用，活性中心均一，具有高活性和高選擇性。
多相催化
多相催化劑又稱非均相催化劑，用于不同相（Phase）的反應(yīng)中，即和它們催化的反應(yīng)物處于不同的狀態(tài)。例如：在生產(chǎn)人造黃油時(shí)，通過固態(tài)鎳（催化劑），能夠把不飽和的植物油和氫氣轉(zhuǎn)變成飽和的脂肪。固態(tài)鎳是一種多相催化劑，被它催化的反應(yīng)物則是液態(tài)（植物油）和氣態(tài)（氫氣）。一個(gè)簡易的非均相催化反應(yīng)包含了反應(yīng)物（或zh-ch:底物;zh-tw:受質(zhì)）吸附在催化劑的表面，反應(yīng)物內(nèi)的鍵因斷裂而導(dǎo)致新鍵的產(chǎn)生，但又因產(chǎn)物與催化劑間的鍵并不牢固，而使產(chǎn)物脫離反應(yīng)位等過程。現(xiàn)已知許多催化劑表面發(fā)生吸附、反應(yīng)的不同的結(jié)構(gòu)。
生物催化
酶是生物催化劑，是植物、動(dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的有機(jī)物（絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)。但少量RNA也具有生物催化功能），舊稱酵素。酶的催化作用同樣具有選擇性。例如，淀粉。酶催化淀粉水解為糊精和麥芽糖，蛋白酶催化蛋白質(zhì)水解成肽等。活的生物體利用它們來加速體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。如果沒有酶，生物體內(nèi)的許多化學(xué)反應(yīng)就會(huì)進(jìn)行得很慢，難以維持生命。大約在37℃的溫度中（人體的溫度），酶的工作狀態(tài)是最佳的。如果溫度高于50℃或60℃，酶就會(huì)被破壞掉而不能再發(fā)生作用。因此，利用酶來分解衣物上的污漬的生物洗滌劑，在低溫下使用最有效。酶在生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等方面，都有重大意義。當(dāng)前，酶制劑的應(yīng)用日益廣泛。
制備方法
制造催化劑的每一種方法，實(shí)際上都是由一系列的操作單元組合而成。為了方便，人們把其中關(guān)鍵而具特色的操作單元的名稱定為制造方法的名稱。傳統(tǒng)的方法有機(jī)械混合法、沉淀法、浸漬法、溶液蒸干法、熱熔融法、浸溶法（瀝濾法）、離子交換法等，現(xiàn)發(fā)展的新方法有化學(xué)鍵合法、纖維化法等。
1、機(jī)械混合法
將兩種以上的物質(zhì)加入混合設(shè)備內(nèi)混合。此法簡單易行，例如轉(zhuǎn)化-吸收型脫硫劑的制造，是將活性組分（如二氧化錳、氧化鋅、碳酸鋅）與少量粘結(jié)劑(如氧化鎂、氧化鈣)的粉料計(jì)量連續(xù)加入一個(gè)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和傾斜度的轉(zhuǎn)盤中，同時(shí)噴入計(jì)量的水、粉料滾動(dòng)混合粘結(jié)，形成均勻直徑的球體，此球體再經(jīng)干燥、焙燒即為成品。
2．沉淀法
此法用于制造要求分散度高并含有一種或多種金屬氧化物的催化劑。在制造多組分催化劑時(shí)，適宜的沉淀?xiàng)l件對(duì)于保證產(chǎn)物組成的均勻性和制造優(yōu)質(zhì)催化劑非常重要。通常的方法是在一種或多種金屬鹽溶液中加入沉淀劑（如碳酸鈉、氫氧化鈣），經(jīng)沉淀、洗滌、過濾、干燥、成型、焙燒(或活化),即得最終產(chǎn)品。
3．浸漬法
將具有高孔隙率的載體（如硅藻土、氧化鋁、活性炭等）浸入含有一種或多種金屬離子的溶液中，保持一定的溫度，溶液進(jìn)入載體的孔隙中。將載體瀝干，經(jīng)干燥、煅燒，載體內(nèi)表面上即附著一層所需的固態(tài)金屬氧化物或其鹽類。
4．噴霧蒸干法
用于制顆粒直徑為數(shù)十微米至數(shù)百微米的流化床用催化劑。如間二甲苯流化床氨化氧化制間二甲腈催化劑的制造，先將給定濃度和體積的偏釩酸鹽和鉻鹽水溶液充分混合，再與定量新制的硅凝膠混合，泵入噴霧干燥器內(nèi)，經(jīng)噴頭霧化后，水分在熱氣流作用下蒸干，物料形成微球催化劑，從噴霧干燥器底部連續(xù)引出。
5．熱熔融法
熱熔融法是制備某些催化劑的特殊方法，適用于少數(shù)不得不經(jīng)過熔煉過程的催化劑，為的是借助高溫條件將各個(gè)組分熔煉稱為均勻分布的混合物，配合必要的后續(xù)加工，可制得性能優(yōu)異的催化劑。
6．浸溶法
從多組分體系中，用適當(dāng)?shù)囊簯B(tài)藥劑（或水）抽去部分物質(zhì)，制成具有多孔結(jié)構(gòu)的催化劑。例如骨架鎳催化劑的制造，將定量的鎳和鋁在電爐內(nèi)熔融，熔料冷卻后成為合金。將合金破碎成小顆粒，用氫氧化鈉水溶液浸泡，大部分鋁被溶出（生成偏鋁酸鈉），即形成多孔的高活性骨架鎳。
7．離子交換法
發(fā)展過程
我國第一個(gè)催化劑生產(chǎn)車間是永利铔廠觸媒部，1959年改名南京化學(xué)工業(yè)公司催化劑廠。于1950年開始生產(chǎn)AI型合成氨催化劑、C-2型一氧化碳高溫變換催化劑和用于二氧化硫氧化的Ⅵ型釩催化劑，以后逐步配齊了合成氨工業(yè)所需各種催化劑的生產(chǎn)。80年代中國開始生產(chǎn)天然氣及輕油蒸汽轉(zhuǎn)化的負(fù)載型鎳催化劑。至1984年已有40多個(gè)單位生產(chǎn)硫酸、硝酸、合成氨工業(yè)用的催化劑。
為發(fā)展燃料化工，50年代初期，石油三廠開始生產(chǎn)頁巖油加氫用的硫化鉬 -白土、硫化鎢-活性炭、硫化鎢-白土及純硫化鎢、硫化鉬催化劑。石油六廠開始生產(chǎn)費(fèi)托合成用的鈷系催化劑，1960年起生產(chǎn)疊合用的磷酸-硅藻土催化劑。60年代初期，中國開發(fā)了豐富的石油資源，開始發(fā)展石油煉制催化劑的工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)，石油催化裂化催化劑最先在蘭州煉油廠生產(chǎn)，1964年小球硅鋁催化劑廠建成投產(chǎn)。70年代中國開始生產(chǎn)稀土-X型分子篩和稀土-Y型分子篩。70年代末在長嶺煉油廠催化劑廠，開始生產(chǎn)共膠法硅鋁載體稀土-Y型分子篩，以后在齊魯石化公司催化劑廠開始生產(chǎn)高堆比、耐磨半合成稀土-Y型分子篩。60年代起中國即開始發(fā)展重整催化劑，60年代中期石油三廠開始生產(chǎn)鉑催化劑，70 年代先后生產(chǎn)出雙金屬鉑-錸催化劑及多金屬重整催化劑。在加氫精制方面，60年代石油三廠開始生產(chǎn)鉬-鈷及鉬-鎳重整預(yù)加氫催化劑。70年代開始生產(chǎn)鉬-鈷-鎳低壓預(yù)加氫催化劑，80年代開始生產(chǎn)三葉形的加氫精制催化劑。
為發(fā)展有機(jī)化學(xué)工業(yè)，50年代末至60年代初開始制造乙苯脫氫用的鐵系催化劑，乙炔加氯化氫制氯乙烯的氯化汞/活性炭催化劑，流化床中萘氧化制苯酐用的氧化釩催化劑，以及加氫用的骨架鎳催化劑等。60年代中期為適應(yīng)中國石油化工發(fā)展的需要，新生產(chǎn)的催化劑品種迅速增多，至80年代已生產(chǎn)多種精制烯烴的選擇性加氫催化劑，并開始生產(chǎn)丙烯氨化氧化用的微球型氧化物催化劑，乙烯與醋酸氧化制醋酸乙烯酯的負(fù)載型金屬催化劑，高效烯烴聚合催化劑以及治理工業(yè)廢氣的蜂窩狀催化劑等。
催化劑在全球各行各業(yè)廣泛使用，未來無論在催化劑的科學(xué)理論研究、清潔能源的開發(fā)與利用，環(huán)境保護(hù)與提高經(jīng)濟(jì)效益以及人類的生存環(huán)境的治理與保護(hù)都有極大的發(fā)展前景。簡言之，人類的生存發(fā)展，吃穿住行離不開催化劑及其發(fā)展。
失活原因
催化劑在使用過程中受種種因素的影響，會(huì)急劇地或緩慢地失去活性。催化劑失活的原因是復(fù)雜的。可以歸納為以下一些種類：
1.永久性失活
催化劑活性組分受某些外來成分的作用（中毒）而失去活性，往往是永久性失活。這些外來成分多是與催化劑的活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或離子交換而導(dǎo)致活性成分發(fā)生變化。如酸性催化劑被堿中和，貴金屬催化劑被硫化物或氮化物中毒等。催化劑中毒的失活往往表現(xiàn)為活性迅速下降。活性組分在使用過程中被磨損或升華造成丟失也導(dǎo)致永久性失活，這類失活往往難以簡單地恢復(fù)
2、活性組分被覆蓋而逐漸失活，是非永久性失活。如反應(yīng)過程產(chǎn)生的積碳，覆蓋了活性組分或堵塞了催化劑的孔道，使反應(yīng)物無法與活性組分接觸。這些覆蓋物通過一定的方法可以除去，如被積碳而失活可以通過燒炭再生而復(fù)活。
3、錯(cuò)誤的操作導(dǎo)致催化劑失活，如過高的反應(yīng)溫度，壓力劇烈的波動(dòng)導(dǎo)致催化劑床層的混亂或粉碎等，這類失活是無法恢復(fù)的。
參考資料
[1]
今天我們來聊一個(gè)熟悉的化學(xué)名詞 · 今日頭條-中科院之聲[引用日期2022-08-15]
[2]
他把“悶悶”的硼原子變成良性催化劑 · 今日頭條-光明網(wǎng)[引用日期2022-08-15]
[3]
《實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告》編寫組 . 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告·化學(xué) 高中選修4 化學(xué)反應(yīng)原理 人教版 : 湖南教育出版社 ，2016-07 . 26 .
[4]
催化劑應(yīng)如何準(zhǔn)確歸類 · 今日頭條-上觀新聞[引用日期2022-08-15]
[5]
催化劑的失活原因分析 · 中國知網(wǎng)[引用日期2022-08-15]
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