第1章 绪论 1
1.1 课程的性质和任务 1
1.2 课程的主要内容 2
1.3 工业催化的发展简史 2
1.3.1 催化概念的诞生 3
1.3.2 基础化工催化工艺的开发期 3
1.3.3 炼油和石油化学工业的蓬勃发展时期 4
1.3.4 合成高分子材料工业的兴起 4
1.3.5 择形催化与新一代石油炼制工业 5
1.3.6 手性催化与制药工业 6
1.4 21世纪催化科学技术面临的新挑战 7
1.4.1 纳米时代的催化研究：实验方法和理论方法 7
1.4.2 过程工业开发采用的催化技术：手性催化、生物催化等 9
1.4.3 催化反应追求的目标 11
1.4.4 催化反应的激活手段 11
第2章 固体催化剂的结构基础 12
2.1 固体中键合结构类型 12
2.2 晶体结构 13
2.2.1 晶格、晶面及其标记 13
2.2.2 填充分数 14
2.2.3 表面层外气-固界层的结构 15
2.2.4 催化剂载体的结构 16
2.2.5 体相和表相结构的不完整性 17
2.3 分子表面化学 18
2.3.1 洁净固体表面的集合结构特征 19
2.3.2 洁净固体表面的弛豫和重构 20
2.3.3 吸附单分子层的有序化、分子有序化膜的自组装及应用 21
2.4 固体能带结构简介 23
2.5 纳米材料结构 26
第3章 吸附、催化作用与催化剂 28
3.1 催化作用与催化剂 28
3.1.1 催化作用的定义和特征 28
3.1.2 催化剂的组成与载体的功能 30
3.1.3 对工业催化剂的要求 35
3.2 三个重要催化概念 38
3.3 分子的化学吸附 38
3.3.1 吸附等温式 38
3.3.2 金属表面上的化学吸附 42
3.3.3 氧化物表面上的化学吸附 45
3.4 多相催化的反应步骤 47
3.4.1 外扩散与外扩散系数 48
3.4.2 内扩散与内扩散系数 48
3.4.3 反应物分子的化学吸附 49
3.4.4 表面反应 49
3.4.5 产物的脱附 50
3.5 酸碱催化剂及其催化作用 50
3.5.1 固体酸、碱的定义和分类 50
3.5.2 固体表面的酸碱性质及其测定 51
3.5.3 酸、碱中心的形成与结构 54
3.5.4 固体酸、碱的催化作用 57
3.5.5 超强酸及其催化作用 59
3.5.6 超强碱及其催化作用 61
3.5.7 杂多化合物及其催化作用 62
3.5.8 离子交换树脂催化剂及其催化作用 65
3.6 非纳米分子筛催化剂及其催化作用 67
3.6.1 分子筛的结构构型 68
3.6.2 分子筛催化剂的催化性能与调变 72
3.6.3 中孔分子筛催化剂及其催化作用 76
3.7 金属催化剂及其催化作用 77
3.7.1 金属和金属表面的化学键 78
3.7.2 金属催化剂催化活性的经验规则 80
3.7.3 负载型金属催化剂的催化活性 82
3.7.4 金属簇状物催化剂 84
3.7.5 合金催化剂及其催化作用 84
3.7.6 非晶态合金催化剂及其催化作用 85
3.7.7 金属膜催化剂及其催化作用 87
3.8 金属氧化物催化剂及其催化作用 89
3.8.1 半导体的能带结构及其催化活性 90
3.8.2 氧化物表面的M＝O性质与催化剂活性、选择性的关联 91
3.8.3 复合金属氧化物催化剂的结构化学 93
3.9 金属硫化物催化剂及其催化作用 98
3.9.1 加氢脱硫及其相关过程的作用机理 98
3.9.2 重油的催化加氢精制 99
3.10 纳米催化 100
第4章 络合催化与聚合催化 102
4.1 概论 102
4.2 过渡金属离子的化学键合 103
4.2.1 络合催化中重要的过渡金属离子与络合物 103
4.2.2 配位键合与络合活化 103
4.3 络合催化中的关键反应步骤 104
4.3.1 配位不饱和与氧化加成 104
4.3.2 穿插反应 105
4.3.3 β-氢转移 106
4.3.4 配位体解离和配位体的交换 106
4.4 络合催化循环 107
4.4.1 络合催化加氢 107
4.4.2 络合催化氧化 108
4.4.3 络合异构化 108
4.4.4 羰基合成与氢甲酰化 109
4.4.5 甲醇络合羰化合成乙酸 110
4.5 配位场的影响 110
4.5.1 空位概念和模板效应 110
4.5.2 反式效应 111
4.6 均相络合催化剂的固相化技术 111
4.6.1 一般的固载方式 111
4.6.2 载体的类型 112
4.6.3 锚定络合物核的多重性 113
4.7 无金属的均相催化——有机小分子催化 115
4.8 聚合催化 117
4.8.1 Ziegler-Natta催化剂 118
4.8.2 Phillips型催化剂 119
4.8.3 茂金属聚合催化剂 119
4.8.4 非茂后过渡金属聚合催化剂 120
第5章 环保催化与环境友好催化技术 122
5.1 环境经济的提出和环境友好概念的产生 122
5.2 空气污染治理的催化技术 122
5.2.1 动态源的净化处理和三效催化剂 123
5.2.2 静态源的净化处理催化技术 126
5.3 工业废液的催化净化技术 128
5.3.1 废水对环境的影响及处理原则 128
5.3.2 WAO和CWAO 129
5.4 大气层保护与催化技术 131
5.4.1 保护臭氧层的催化技术 131
5.4.2 控制温室效应气体排放的催化技术 132
5.5 环境友好的催化技术 132
5.5.1 “零排放”与绿色化学 132
5.5.2 “原子经济”、“E因子”与绿色化工生产 134
5.5.3 环境友好催化技术的案例分析 135
5.6 光催化在环境科学中的应用和光催化环保功能材料 137
5.6.1 环境光催化——光催化裂解过程 137
5.6.2 光催化环保功能材料 138
第6章 新能源和燃料工业用催化技术 139
6.1 当前能源的结构及存在的问题 139
6.2 能源、能源载体和转换路线 139
6.3 资源和环境对能源开发的制约 139
6.4 经洁净技术处理的清洁能源 141
6.5 天然气能源 143
6.6 氢能与“氢经济” 144
6.6.1 氢的生产、贮存和运输 144
6.6.2 “氢经济” 146
6.7 燃料电池 146
6.7.1 燃料电池的工作原理 146
6.7.2 电极反应 147
6.7.3 燃料电池的类型 148
6.7.4 燃料电池的应用前景 150
6.8 煤的新应用 150
6.8.1 中国的煤基醇、醚燃料路线 150
6.8.2 美国“Vision 21”化石能源计划 151
6.8.3 丹麦Topsoc公司的强制合成与IGCC组合能源方案 152
6.9 生物质能源 152
第7章 生物催化技术 155
7.1 生物催化剂的类别 155
7.2 生物催化反应的特征 155
7.3 酶的系统分类和系统命名 156
7.4 酶的功能与反应动力学 157
7.5 影响酶催化反应的因素 159
7.6 生物催化技术的应用 159
7.6.1 生物催化剂在手性合成技术中的应用 160
7.6.2 酶催化在能源和环保中的应用 161
7.7 生物催化的发展趋势 162
第8章 精细有机合成和药物、调制剂生产的催化策略技术 164
8.1 概述 164
8.2 环境友好的C—H键氧化 165
8.2.1 机理分析 166
8.2.2 生物激发的C—H氧化催化剂 166
8.3 作为活化手段的氢键 168
第9章 微动力学分析法与工业催化剂设计 170
9.1 微动力学分析法概述 170
9.2 微动力学分析法案例分析 170
9.2.1 合成NH3铁催化剂分析 170
9.2.2 汽车尾气用三效催化剂分析 171
9.2.3 甲烷部分氧化用分子筛催化剂分析 173
9.3 工业催化剂的设计 174
9.3.1 工业催化剂的设计方法 174
9.3.2 催化剂设计的框图程序 175
9.3.3 催化剂主要组分的设计 176
9.3.4 催化剂次要组分的设计 179
9.4 催化剂的类型设计法 180
9.4.1 块状金属催化剂 180
9.4.2 负载金属催化剂 183
9.5 计算机辅助催化剂设计简介 189
9.6 固体催化剂设计的新思路 190
9.6.1 借用酶催化原理于非生物质固体催化材料合成的设计思路 190
9.6.2 利用组合技术设计和开发催化剂 191
9.6.3 固体催化剂的构件组装 193
第10章 工业催化剂的制备与使用 195
10.1 工业催化剂的制备 195
10.1.1 沉淀法 196
10.1.2 浸渍法 205
10.1.3 混合法 212
10.1.4 离子交换法 213
10.1.5 熔融法 213
10.2 催化剂制备技术新进展 214
10.2.1 微乳液技术 214
10.2.2 溶胶-凝胶技术 218
10.2.3 超临界流体技术 224
10.2.4 膜技术 225
10.3 工业催化剂的使用 228
10.3.1 运输、贮存与填装 228
10.3.2 升温与还原 229
10.3.3 开、停车及催化剂钝化 230
10.3.4 催化剂的使用、失活与再生 231
第11章 工业催化剂的评价与宏观物性测试 235
11.1 催化剂活性测试的基本概念 235
11.1.1 活性测试的目标 235
11.1.2 实验室活性测试反应器的类型及应用 236
11.2 催化剂活性的测定 248
11.2.1 影响催化剂活性测定的因素 248
11.2.2 测定活性的试验方法 250
11.2.3 活性测试的实例 251
11.3 催化剂的宏观物性及其测定 253
11.3.1 催化剂的表面积及其测定 254
11.3.2 催化剂的孔结构及其测定 257
11.3.3 催化剂机械强度的测定 263
11.4 催化剂抗毒性能的评价 266
11.5 工业催化剂寿命的考察 266
11.5.1 影响催化剂寿命的因素 266
11.5.2 催化剂寿命的测试 267
第12章 催化剂表征技术简介 270
12.1 气相色谱技术 270
12.1.1 程序升温脱附法 270
12.1.2 程序升温还原法 271
12.1.3 氢氧滴定脉冲色谱法 272
12.2 热分析法 273
12.2.1 差热分析法 273
12.2.2 热重分析法 274
12.2.3 差示扫描量热法 274
12.2.4 热分析在催化研究中的应用 275
12.3 X射线衍射分析法 275
12.4 光谱法 276
12.4.1 红外吸收光谱法 276
12.4.2 拉曼光谱法 277
12.5 显微分析法 278
12.5.1 扫描电镜法 278
12.5.2 透射电镜法 278
12.5.3 扫描隧道显微镜法 279
12.5.4 原子力显微镜 280
12.5.5 显微技术在催化剂研究中的应用 280
12.6 能谱法 281
12.6.1 俄歇电子能谱法 281
12.6.2 X射线光电子能谱法 281
12.6.3 紫外光电子能谱法 282
12.7 核磁共振法 282
12.8 穆斯堡尔谱 283
12.9 工作状态下的催化剂表征技术 284
12.9.1 高分辨率透射电子显微镜技术 284
12.9.2 扫描隧道显微镜技术 284
12.9.3 光致发光光谱技术 284
12.9.4 红外光谱技术 284
12.9.5 拉曼光谱技术 284
12.9.6 X射线光电子能谱技术 285
12.9.7 X射线衍射技术 285
参考文献 286