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第1章 绪论1

1.1催化科学发展简史1

1.1.1催化概念的诞生1

1.1.2从经验走向科学，创建催化科学的物理化学基础2

1.1.3催化科学发展的第三阶段（1898～1918）3

1.1.4工业催化和表面物理化学并行发展的时期3

1.1.5表面物理化学与技术对催化科学的冲击4

1.1.6经典方法研究多相催化机理发展阶段5

1.1.7固态化学与多相催化剂设计发展时期6

1.1.8环境催化和手性催化发展的30年7

1.2工业催化发展简史8

1.2.1基础化工催化工艺开发期8

1.2.2催化燃料过程开发时期（1918～1945）9

1.2.3催化科学与技术快速发展时期（1946～1970）10

1.2.4环境催化发展的20年（1970～1990）12

1.2.5新型催化材料的发展12

1.2.6手性催化和药物合成工业发展（1990至今）14

1.3催化科学与技术的重要性15

1.3.1工业催化剂在经济上的重要性15

1.3.2新能源开发对催化技术的需求16

1.3.3催化对环境科学的重要性16

1.3.4催化科学与技术对生命科学的重要性16

1.4催化基本概念和工业催化剂的基本要求17

1.4.1催化定义与特征17

1.4.2对工业催化剂的要求18

1.5原料、市场、政策综合对工业催化剂研制生产的影响22

1.6课程的性质与任务24

参考文献25

第2章 催化作用模式及相关基本原则26

2.1催化作用基础26

2.2催化作用的前奏——化学吸附26

2.2.1活性部位26

2.2.2表面化学吸附键27

2.3多相催化作用模式29

2.3.1多相催化体系的剖析29

2.3.2金属催化剂活性的理论分析34

2.3.3负载型金属催化剂的活性分析37

2.3.4合金催化剂38

2.3.5金属簇状物催化剂39

2.3.6半导体催化剂的电子理论40

2.3.7复合氧化物催化剂及其催化作用42

2.3.8固体酸碱催化剂及其催化作用46

2.3.9分子筛催化剂及其催化作用50

2.4过渡金属络合催化剂及其催化作用55

2.4.1过渡金属离子的化学键合55

2.4.2络合催化中的关键反应步骤57

2.4.3络合催化循环59

2.4.4配位场的影响63

2.5聚合催化剂及其作用64

2.5.1茂金属聚合催化剂与新型聚合物材料64

2.5.2非茂后过渡金属烯烃聚合催化剂的研究进展68

2.5.3组合聚合物催化技术69

2.5.4高速组合筛选技术72

参考文献73

第3章 工业催化剂的设计75

3.1催化科学的分子观75

3.1.1单晶金属表面结构76

3.1.2碳质的沉积78

3.1.3表面原子的氧化状态78

3.2工业催化剂设计方法79

3.2.1引言79

3.2.2催化设计的框图程序79

3.2.3催化剂的类型设计法85

3.2.4催化剂设计的经验程序102

3.3计算机辅助催化剂设计106

3.3.1引言106

3.3.2决定论模型法及案例分析107

3.3.3非决定论模型法及案例分析108

3.3.4 CAD催化剂的微动力学分析法110

3.4固体催化剂设计的几种思路110

3.4.1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110

3.4.2利用组合技术设计和开发催化剂112

3.4.3固体催化剂构件组装114

参考文献116

第4章 催化材料学118

4.1引言118

4.2分子筛催化材料119

4.2.1分子筛基本结构119

4.2.2分子筛催化材料的特性120

4.2.3分子筛催化材料制备121

4.2.4两类新的分子筛催化材料123

4.3膜材料与膜催化127

4.3.1概述127

4.3.2无机膜材料与催化130

4.4非晶态合金催化材料与催化135

4.4.1非晶态合金材料的结构特点135

4.4.2非晶态合金催化剂制备与表征136

4.4.3非晶态合金的催化应用138

4.5固体酸催化材料与催化144

4.5.1固体酸催化材料类型144

4.5.2固体超强酸催化材料145

4.5.3杂多酸催化材料148

4.6整体式催化材料151

4.6.1整体式催化剂结构特点151

4.6.2整体式催化剂载体152

4.6.3整体式催化剂应用153

4.7光催化材料与光催化158

4.7.1光催化原理158

4.7.2光催化材料的发展161

4.7.3光催化材料的失活与再生165

4.7.4可见光活性光催化材料的设计166

4.8纳米材料和纳米催化174

4.8.1纳米催化材料的特性174

4.8.2碳纳米管材料与催化175

4.8.3纳米金属催化剂188

参考文献195

第5章 工业催化的过程工程203

5.1概述204

5.1.1工业催化过程工程的多尺度性204

5.1.2工业催化过程工程的方法和基本概念205

5.2多相催化反应动力学208

5.2.1化学吸附过程208

5.2.2理想表面的催化动力学模型212

5.2.3真实表面的催化反应动力学模型219

5.2.4微观反应动力学方法224

52.5复杂反应动力学233

5.3多相催化中的传递过程238

5.3.1流体与催化剂外表面间的传热传质239

5.3.2气体在多孔介质中的扩散240

5.3.3多相催化剂的效率因子241

5.3.4传递现象影响下的催化反应动力学行为247

5.4固体催化剂的失活与再生251

5.4.1失活的类型251

5.4.2失活动力学257

5.4.3工业催化剂寿命的实验室规模考察方法261

5.4.4失活催化剂的再生262

5.5试验研究用反应器263

5.5.1理想反应器的基本类型264

5.5.2微分、积分固定床反应器266

5.5.3无梯度反应器267

5.5.4催化剂开发过程中反应器的选择268

5.5.5催化剂开发的高通量筛选方法270

5.5.6催化动力学模型筛选及参数估算271

5.6工业生产用反应器273

5.6.1釜式反应器273

5.6.2固定床反应器277

5.6.3流化床反应器285

主要符号292

参考文献293

第6章 多相催化过程模拟297

6.1计算机模拟理论与技术297

6.1.1量子力学方法297

6.1.2分子力学方法298

6.1.3组合方法299

6.2多相催化模拟——策略与模型299

6.2.1简介299

6.2.2级间近似方法300

6.2.3周期性计算301

6.2.4簇模型301

6.2.5微动力学模型303

6.3催化材料结构模拟305

6.3.1能量计算305

6.3.2整体最小化法306

6.3.3模拟退火法306

6.3.4遗传运算法则307

6.3.5拓扑枚举法309

6.3.6结构预测310

6.4表面及过程模拟313

6.4.1模拟技术313

6.4.2骨架材料表面结构及性质314

6.4.3吸附315

6.4.4扩散317

6.4.5表面与水的反应318

6.4.6催化部分氧化反应318

6.4.7多相催化剂模型体系321

参考文献323

第7章 离子液体与催化325

7.1离子液体简介325

7.1.1离子液体发展简史325

7.1.2离子液体的组成与结构326

7.1.3离子液体的特性326

7.1.4离子液体的合成326

7.2离子液体催化剂327

7.2.1酸性离子液体催化剂328

7.2.2碱性功能化离子液体催化剂334

7.2.3离子液体负载化336

7.3离子液体与纳米催化338

7.4离子液体与生物催化339

7.5其他离子液体催化剂339

7.5.1手性离子液体339

7.5.2具有配位功能的离子液体340

参考文献341

第8章 氢能与制氢技术用催化剂的设计与开发345

8.1化石能源现状345

8.2氢能的优点及应用345

8.3制氢技术概述347

8.3.1化石燃料制氢347

8.3.2再生氢制备349

8.4储氢352

8.5甲醇氧化重整制氢催化剂的设计及性能评价353

8.5.1甲醇氧化重整制氢反应分析353

8.5.2催化剂的开发354

8.5.3工艺操作参数的选择354

8.5.4催化剂应用355

8.5.5技术经济分析356

8.5.6应用前景357

参考文献358

第9章 二甲醚生产用催化剂的设计与开发359

9.1二甲醚概述359

9.1.1二甲醚的性质及工业应用359

9.1.2二甲醚生产工艺概述359

9.1.3甲醇气相脱水制二甲醚基本原理及热力学362

9.2催化剂的开发362

9.3催化剂的应用362

9.3.1工艺流程362

9.3.2操作条件363

9.4二甲醚的工业生产现状365

参考文献366

第10章 燃料电池及直接甲醇燃料电池催化剂的设计与开发367

10.1燃料电池简介367

10.1.1燃料电池的工作原理367

10.1.2燃料电池的基本类型367

10.1.3燃料电池的优点368

10.2直接甲醇燃料电池催化剂的设计与开发369

10.2.1直接甲醇燃料电池反应机理及热力学369

10.2.2甲醇电催化氧化机制370

10.2.3 DMFC阳极催化剂的设计与开发371

10.2.4 DMFC催化剂的应用372

参考文献375

第11章 生物催化及己酸乙酯非水相生产酶催化剂的设计与开发376

11.1生物催化简介376

11.2酶催化377

11.2.1酶催化特点及分类377

11.2.2酶催化反应的机理377

11.2.3酶催化的应用及发展现状380

11.3脂肪酶非水相催化生产短链脂肪酸酯383

11.3.1短链脂肪酸酯及其特性383

11.3.2短链脂肪酸酯的国内外生产状况383

11.3.3非水相中脂肪酶催化短链脂肪酸酯合成383

参考文献386

第12章 酶催化合成手性布洛芬的设计与开发387

12.1布洛芬简介388

12.1.1布洛芬的物性及应用388

12.1.2 （S）-布洛芬的常用制备方法388

12.2布洛芬酯的酶选择性水解制备（S）-布洛芬389

12.2.1布洛芬酯的酶选择性水解反应拆分布洛芬的机理389

12.2.2选择性水解布洛芬酯的脂肪酶的选择389

12.2.3酶选择性水解拆分布洛芬酯的技术路线390

12.2.4酶选择性水解拆分布洛芬酯的工艺流程390

参考文献391

第13章 环己烷氧化制环己酮仿生催化剂的设计与开发392

13.1环己酮概述392

13.1.1环己酮的工业应用392

13.1.2环己酮生产的工业现状392

13.1.3环己烷仿生催化氧化制环己酮393

13.1.4金属卟啉催化氧化的反应机理394

13.2催化剂的选择394

13.3催化剂的使用395

13.3.1工艺流程395

13.3.2工艺参数选择395

13.3.3环己烷仿生催化制环己酮优点396

13.4工业化现状396

参考文献397

第14章 绿色化学与离子液体催化剂的设计与开发398

14.1绿色化学简介398

14.2离子液体的功能化及应用399

14.2.1离子液体的功能化399

14.2.2离子液体的应用400

14.3烷氧基苯膦生产用离子液体的设计与开发401

14.3.1烷氧基苯膦生产的问题分析401

14.3.2烷氧基苯膦生产用催化剂设计401

14.3.3催化剂的应用402

14.3.4离子液体的再生和回收402

参考文献402

第15章 汽车尾气治理用催化剂的设计与开发403

15.1汽车尾气治理概述403

15.2汽车尾气净化催化剂的开发404

15.2.1催化剂的设计404

15.2.2催化剂的制备405

15.3催化剂的使用405

15.4催化剂的发展变化405

参考文献405

第16章21世纪催化科学与技术面临新机遇、新挑战和新发展406

16.1能源和化工原料的变化406

16.1.1能源和化工原料的时代变迁406

16.1.2原材料到化学品和燃料的转化406

16.2可再生生物资源的化工和能源利用409

16.3基于生物质原料生产液体燃料（BTL）的费-托合成催化剂411

16.3.1费-托催化剂的活性412

16.3.2费-托催化剂的失活416

16.3.3费-托合成的选择性418

16.4生物质的直接液化418

16.5生物质加工的技术平台419

16.6 21世纪催化的现状、挑战与未来420

16.6.1推动者与拉动者：创新的R3原则421

16.6.2 21世纪催化所面临的挑战421

16.6.3 21世纪催化的未来422

参考文献423