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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CWAO129

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