贵金属催化剂

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贵金属催化剂(precious metal catalyst)一种能改变化学反应速度而本身又不参与反应最终产物的贵金属材料。几乎所有的贵金属都可用作催化剂,但常用的是铂、钯、铑、银、钌等,其中尤以铂、铑应用最广。它们的d电子轨道都未填满,表面易吸附反应物,且强度适中,利于形成中间“活性化合物”,具有较高的催化活性,同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性,成为最重要的催化剂材料。

贵金属催化剂简史

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1831年英国菲利普斯(philips)提出以铂为催化剂的接触法制造硫酸,到1875年该法实现工业化,这是贵金属催化剂的最早工业应用。此后,贵金属催化剂的工业化应用层出不穷。1913年,铂网催化剂用于氨氧化制硝酸;1937年Ag/Al2O3催化剂用于乙烯氧化制环氧乙烷;1949年,Pt/Al2O3催化剂用于石油重整生产高品质汽油;1959年,PdCl2-CuCl2催化剂用于乙烯氧化制乙醛;到本世纪60年代末,又出现了甲醇低压羰基合成醋酸用铑络合物催化剂。从1974年起,汽车排气净化用贵金属催化剂(以铂为主,辅以钯、铑)大量推广应用,并很快发展为用量最大的贵金属催化剂。贵金属催化剂开发应用百余年(1875~1994年)来,其发展势头长盛不衰。新的品种、新的制备方法、新的应用领域不断出现,有关基础理论也在不断完善。随着科学技术的不断进步,贵金属催化剂将会在一些新领域中继续发挥重要作用。当然,由于贵金属资源稀少、价格昂贵,人们也在不断研究开发非贵金属或低含量贵金属催化剂。

贵金属催化剂主要性能指标

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(1)活性。是衡量催化剂效能大小的标准。工业上通常以单位体积(或重量)催化剂在一定条件下,单位时间内所得到的产品数量来表示。
(2)选择性。是指催化剂作用的专一性,即在一定条件下,某一催化剂只对某一化学反应起加速作用。选择性通常以反应后所得指望产物的克分子数与参加反应的原料克分子数之比的百分数表示。
(3)稳定性。是指催化剂在使用过程中保持其活性及选择性不变的能力,通常以使用寿命来表示。催化剂的良好性能不仅取决于活性金属的固有特性(原子的电子结构等),而且取决于其结晶构造、粒子大小、比表面积、孔结构及分散状态等因素。此外,助催化剂及载体对催化剂的性能也有重要影响。

贵金属催化剂分类及应用

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按催化反应类别,贵金属催化剂可分为均相催化用和多相催化用两大类。均相催化用催化剂通常为可溶性化合物(盐或络合物),如氯化钯、氯化铑、醋酸钯、羰基铑、三苯膦羰基铑等。多相催化用催化剂为不溶性固体物,其主要形态为金属丝网态和多孔无机载体负载金属态。金属丝网催化剂(如铂网、银网)的应用范围及用量有限。绝大多数多相催化剂为载体负载贵金属型,如Pt/A12O3、Pd/C、Ag/Al2O3、Rh/SiO2、Pt-Pd/Al2O3、Pt-Rh/Al2O3等。在全部催化反应过程中,多相催化反应占80%~90%。按载体的形状,负载型催化剂又可分为微粒状、球状、柱状及蜂窝状。按催化剂的主要活性金属分类,常用的有:银催化剂、铂催化剂、钯催化剂和铑催化剂。贵金属催化剂以其优良的活性、选择性及稳定性而倍受重视,广泛用于加氢、脱氢、氧化、还原、异构化、芳构化、裂化、合成等反应,在化工、石油精制、石油化学、医药、环保及新能源等领域起着非常重要的作用。

贵金属催化剂组成及制备方法

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均相催化剂的组成较单纯,通常为某种化合物。多相催化用负载型催化剂的组成较复杂,通常由活性金属组分、助催化剂及载体组成。助催化剂是添加到催化剂中的少量物质,它本身无活性或活性很小,但能改善催化剂的性能。载体是催化剂活性组分的分散剂或支持物。载体的主要作用是增加催化剂的有效表面,提供合适的孔结构,保证足够的机械强度和热稳定性。常用的催化剂载体有Al2O3、SiO2,多孔陶瓷、活性炭等。不同类型的催化剂有不同的制备方法。均相催化用催化剂的制备主要是用化学法获得所需化合物及有机络合物。多相催化用无载体催化剂(如Pt-Rh网)的制备是先用火法熔炼制成合金,然后经拉丝、织网而成。载体催化剂的制备较为复杂,一般是将载体原料经配料、成形、烧成等工艺过程加工成一定形状(如球状、柱状、蜂窝状),然后用浸渍法加载贵金属活性组分及助催化剂,最后经还原焙烧而成。
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