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內容簡介

《工業催化劑設計與開發》較全麵地介紹瞭工業催化劑原理、設計與開發的係統知識與應用技術。全書分為16章。第1章論述催化科學和工業催化發展簡史；第2章論述催化作用的基本原則和基本模式；第3章論述工業催化劑設計原理和方法；第4章介紹催化材料學；第5章論述工業催化的過程工程；第6章介紹催化作用和催化過程的計算機模擬；第7章論述離子液體及其在環境催化中的應用；第8、9、10章為能源工程中催化技術案例分析；第11、12、13章為生物催化技術案例分析；第14、15章為環境催化技術案例分析；第16章為催化發展展望。《工業催化劑設計與開發》的特點是將催化作用的基本原理、催化新材料、計算機模擬與工業催化劑設計、開發結閤起來，並對新世紀人們關注的能源、環境、生物領域中的工業催化技術進行瞭案例分析。《工業催化劑設計與開發》可作為高等院校化學工程、化學工藝、工業催化、應用化學等化學化工類專業以及環境、材料相關專業的研究生教學用書，也可供從事與催化相關的科研、設計和生産人員參考。

目錄

第1章 緒論1
1.1 催化科學發展簡史1
1.1.1 催化概念的誕生1
1.1.2 從經驗走嚮科學，創建催化科學的物理化學基礎2
1.1.3 催化科學發展的第三階段（1898～1918）3
1.1.4 工業催化和錶麵物理化學並行發展的時期3
1.1.5 錶麵物理化學與技術對催化科學的衝擊4
1.1.6 經典方法研究多相催化機理發展階段5
1.1.7 固態化學與多相催化劑設計發展時期6
1.1.8 環境催化和手性催化發展的30年7
1.2 工業催化發展簡史8
1.2.1 基礎化工催化工藝開發期8
1.2.2 催化燃料過程開發時期（1918～1945）9
1.2.3 催化科學與技術快速發展時期（1946～1970）10
1.2.4 環境催化發展的20年（1970～1990）12
1.2.5 新型催化材料的發展12
1.2.6 手性催化和藥物閤成工業發展（1990至今）14
1.3 催化科學與技術的重要性15
1.3.1 工業催化劑在經濟上的重要性15
1.3.2 新能源開發對催化技術的需求16
1.3.3 催化對環境科學的重要性16
1.3.4 催化科學與技術對生命科學的重要性16
1.4 催化基本概念和工業催化劑的基本要求17
1.4.1 催化定義與特徵17
1.4.2 對工業催化劑的要求18
1.5 原料、市場、政策綜閤對工業催化劑研製生産的影響22
1.6 課程的性質與任務24
參考文獻25

第2章 催化作用模式及相關基本原則26
2.1 催化作用基礎26
2.2 催化作用的前奏——化學吸附26
2.2.1 活性部位26
2.2.2 錶麵化學吸附鍵27
2.3 多相催化作用模式29
2.3.1 多相催化體係的剖析29
2.3.2 金屬催化劑活性的理論分析34
2.3.3 負載型金屬催化劑的活性分析37
2.3.4 閤金催化劑38
2.3.5 金屬簇狀物催化劑39
2.3.6 半導體催化劑的電子理論40
2.3.7 復閤氧化物催化劑及其催化作用42
2.3.8 固體酸堿催化劑及其催化作用46
2.3.9 分子篩催化劑及其催化作用50
2.4 過渡金屬絡閤催化劑及其催化作用55
2.4.1 過渡金屬離子的化學鍵閤55
2.4.2 絡閤催化中的關鍵反應步驟57
2.4.3 絡閤催化循環59
2.4.4 配位場的影響63
2.5 聚閤催化劑及其作用64
2.5.1 茂金屬聚閤催化劑與新型聚閤物材料64
2.5.2 非茂後過渡金屬烯烴聚閤催化劑的研究進展68
2.5.3 組閤聚閤物催化技術69
2.5.4 高速組閤篩選技術72
參考文獻73

第3章 工業催化劑的設計75
3.1 催化科學的分子觀75
3.1.1 單晶金屬錶麵結構76
3.1.2 碳質的沉積78
3.1.3 錶麵原子的氧化狀態78
3.2 工業催化劑設計方法79
3.2.1 引言79
3.2.2 催化設計的框圖程序79
3.2.3 催化劑的類型設計法85
3.2.4 催化劑設計的經驗程序102
3.3 計算機輔助催化劑設計106
3.3.1 引言106
3.3.2 決定論模型法及案例分析107
3.3.3 非決定論模型法及案例分析108
3.3.4 CAD催化劑的微動力學分析法110
3.4 固體催化劑設計的幾種思路110
3.4.1 藉用酶催化原理於非生物質固體催化材料閤成的設計思路110
3.4.2 利用組閤技術設計和開發催化劑112
3.4.3 固體催化劑構件組裝114
參考文獻116

第4章 催化材料學118
4.1 引言118
4.2 分子篩催化材料119
4.2.1 分子篩基本結構119
4.2.2 分子篩催化材料的特性120
4.2.3 分子篩催化材料製備121
4.2.4 兩類新的分子篩催化材料123
4.3 膜材料與膜催化127
4.3.1 概述127
4.3.2 無機膜材料與催化130
4.4 非晶態閤金催化材料與催化135
4.4.1 非晶態閤金材料的結構特點135
4.4.2 非晶態閤金催化劑製備與錶徵136
4.4.3 非晶態閤金的催化應用138
4.5 固體酸催化材料與催化144
4.5.1 固體酸催化材料類型144
4.5.2 固體超強酸催化材料145
4.5.3 雜多酸催化材料148
4.6 整體式催化材料151
4.6.1 整體式催化劑結構特點151
4.6.2 整體式催化劑載體152
4.6.3 整體式催化劑應用153
4.7 光催化材料與光催化158
4.7.1 光催化原理158
4.7.2 光催化材料的發展161
4.7.3 光催化材料的失活與再生165
4.7.4 可見光活性光催化材料的設計166
4.8 納米材料和納米催化174
4.8.1 納米催化材料的特性174
4.8.2 碳納米管材料與催化175
4.8.3 納米金屬催化劑188
參考文獻195

第5章 工業催化的過程工程203
5.1 概述204
5.1.1 工業催化過程工程的多尺度性204
5.1.2 工業催化過程工程的方法和基本概念205
5.2 多相催化反應動力學208
5.2.1 化學吸附過程208
5.2.2 理想錶麵的催化動力學模型212
5.2.3 真實錶麵的催化反應動力學模型219
5.2.4 微觀反應動力學方法224
5.2.5 復雜反應動力學233
5.3 多相催化中的傳遞過程238
5.3.1 流體與催化劑外錶麵間的傳熱傳質239
5.3.2 氣體在多孔介質中的擴散240
5.3.3 多相催化劑的效率因子241
5.3.4 傳遞現象影響下的催化反應動力學行為247
5.4 固體催化劑的失活與再生251
5.4.1 失活的類型251
5.4.2 失活動力學257
5.4.3 工業催化劑壽命的實驗室規模考察方法261
5.4.4 失活催化劑的再生262
5.5 試驗研究用反應器263
5.5.1 理想反應器的基本類型264
5.5.2 微分、積分固定床反應器266
5.5.3 無梯度反應器267
5.5.4 催化劑開發過程中反應器的選擇268
5.5.5 催化劑開發的高通量篩選方法270
5.5.6 催化動力學模型篩選及參數估算271
5.6 工業生産用反應器273
5.6.1 釜式反應器273
5.6.2 固定床反應器277
5.6.3 流化床反應器285
主要符號292
參考文獻293

第6章 多相催化過程模擬297
6.1 計算機模擬理論與技術297
6.1.1 量子力學方法297
6.1.2 分子力學方法298
6.1.3 組閤方法299
6.2 多相催化模擬——策略與模型299
6.2.1 簡介299
6.2.2 級間近似方法300
6.2.3 周期性計算301
6.2.4 簇模型301
6.2.5 微動力學模型303
6.3 催化材料結構模擬305
6.3.1 能量計算305
6.3.2 整體最小化法306
6.3.3 模擬退火法306
6.3.4 遺傳運算法則307
6.3.5 拓撲枚舉法309
6.3.6 結構預測310
6.4 錶麵及過程模擬313
6.4.1 模擬技術313
6.4.2 骨架材料錶麵結構及性質314
6.4.3 吸附315
6.4.4 擴散317
6.4.5 錶麵與水的反應318
6.4.6 催化部分氧化反應318
6.4.7 多相催化劑模型體係321
參考文獻323

第7章 離子液體與催化325
7.1 離子液體簡介325
7.1.1 離子液體發展簡史325
7.1.2 離子液體的組成與結構326
7.1.3 離子液體的特性326
7.1.4 離子液體的閤成326
7.2 離子液體催化劑327
7.2.1 酸性離子液體催化劑328
7.2.2 堿性功能化離子液體催化劑334
7.2.3 離子液體負載化336
7.3 離子液體與納米催化338
7.4 離子液體與生物催化339
7.5 其他離子液體催化劑339
7.5.1 手性離子液體339
7.5.2 具有配位功能的離子液體340
參考文獻341

第8章 氫能與製氫技術用催化劑的設計與開發345
8.1 化石能源現狀345
8.2 氫能的優點及應用345
8.3 製氫技術概述347
8.3.1 化石燃料製氫347
8.3.2 再生氫製備349
8.4 儲氫352
8.5 甲醇氧化重整製氫催化劑的設計及性能評價353
8.5.1 甲醇氧化重整製氫反應分析353
8.5.2 催化劑的開發354
8.5.3 工藝操作參數的選擇354
8.5.4 催化劑應用355
8.5.5 技術經濟分析356
8.5.6 應用前景357
參考文獻358

第9章 二甲醚生産用催化劑的設計與開發359
9.1 二甲醚概述359
9.1.1 二甲醚的性質及工業應用359
9.1.2 二甲醚生産工藝概述359
9.1.3 甲醇氣相脫水製二甲醚基本原理及熱力學362
9.2 催化劑的開發362
9.3 催化劑的應用362
9.3.1 工藝流程362
9.3.2 操作條件363
9.4 二甲醚的工業生産現狀365
參考文獻366

第10章 燃料電池及直接甲醇燃料電池催化劑的設計與開發367
10.1 燃料電池簡介367
10.1.1 燃料電池的工作原理367
10.1.2 燃料電池的基本類型367
10.1.3 燃料電池的優點368
10.2 直接甲醇燃料電池催化劑的設計與開發369
10.2.1 直接甲醇燃料電池反應機理及熱力學369
10.2.2 甲醇電催化氧化機製370
10.2.3 DMFC陽極催化劑的設計與開發371
10.2.4 DMFC催化劑的應用372
參考文獻375

第11章 生物催化及己酸乙酯非水相生産酶催化劑的設計與開發376
11.1 生物催化簡介376
11.2 酶催化377
11.2.1 酶催化特點及分類377
11.2.2 酶催化反應的機理377
11.2.3 酶催化的應用及發展現狀380
11.3 脂肪酶非水相催化生産短鏈脂肪酸酯383
11.3.1 短鏈脂肪酸酯及其特性383
11.3.2 短鏈脂肪酸酯的國內外生産狀況383
11.3.3 非水相中脂肪酶催化短鏈脂肪酸酯閤成383
參考文獻386

第12章 酶催化閤成手性布洛芬的設計與開發387
12.1 布洛芬簡介388
12.1.1 布洛芬的物性及應用388
12.1.2 （S）布洛芬的常用製備方法388
12.2 布洛芬酯的酶選擇性水解製備（S）布洛芬389
12.2.1 布洛芬酯的酶選擇性水解反應拆分布洛芬的機理389
12.2.2 選擇性水解布洛芬酯的脂肪酶的選擇389
12.2.3 酶選擇性水解拆分布洛芬酯的技術路綫390
12.2.4 酶選擇性水解拆分布洛芬酯的工藝流程390
參考文獻391

第13章 環己烷氧化製環己酮仿生催化劑的設計與開發392
13.1 環己酮概述392
13.1.1 環己酮的工業應用392
13.1.2 環己酮生産的工業現狀392
13.1.3 環己烷仿生催化氧化製環己酮393
13.1.4 金屬卟啉催化氧化的反應機理394
13.2 催化劑的選擇394
13.3 催化劑的使用395
13.3.1 工藝流程395
13.3.2 工藝參數選擇395
13.3.3 環己烷仿生催化製環己酮優點396
13.4 工業化現狀396
參考文獻397

第14章 綠色化學與離子液體催化劑的設計與開發398
14.1 綠色化學簡介398
14.2 離子液體的功能化及應用399
14.2.1 離子液體的功能化399
14.2.2 離子液體的應用400
14.3 烷氧基苯膦生産用離子液體的設計與開發401
14.3.1 烷氧基苯膦生産的問題分析401
14.3.2 烷氧基苯膦生産用催化劑設計401
14.3.3 催化劑的應用402
14.3.4 離子液體的再生和迴收402
參考文獻402

第15章 汽車尾氣治理用催化劑的設計與開發403
15.1 汽車尾氣治理概述403
15.2 汽車尾氣淨化催化劑的開發404
15.2.1 催化劑的設計404
15.2.2 催化劑的製備405
15.3 催化劑的使用405
15.4 催化劑的發展變化405
參考文獻405

第16章 21世紀催化科學與技術麵臨新機遇、新挑戰和新發展406
16.1 能源和化工原料的變化406
16.1.1 能源和化工原料的時代變遷406
16.1.2 原材料到化學品和燃料的轉化406
16.2 可再生生物資源的化工和能源利用409
16.3 基於生物質原料生産液體燃料（BTL）的費托閤成催化劑411
16.3.1 費托催化劑的活性412
16.3.2 費托催化劑的失活416
16.3.3 費托閤成的選擇性418
16.4 生物質的直接液化418
16.5 生物質加工的技術平颱419
16.6 21世紀催化的現狀、挑戰與未來420
16.6.1 推動者與拉動者：創新的R3原則421
16.6.2 21世紀催化所麵臨的挑戰421
16.6.3 21世紀催化的未來422
參考文獻423

精彩書摘

第2章 催化作用模式及相關基本原則
2.1 催化作用基礎
一種具有工業應用價值的化學反應及化工過程，其催化作用的前提是該過程是熱力學上在指定條件下可行的，因為催化劑隻能加速熱力學可行反應的速度，而不能引發熱力學上不可能的反應。催化劑隻能加速化學平衡的到達，而不能改變化學平衡點。這意味著催化劑可以同樣加速正、反兩方麵的速度。有兩種情況需要注意。其一，進行正反應的操作條件（壓力、溫度和進料組成等）必然與逆反應不同，平衡對立兩邊的操作條件互不相同，對催化劑可能有顯著的影響。提高溫度可能導緻催化劑晶粒變大、活性下降；增大壓力可能引發催化劑上吸附物種相對數量的變化，影響到催化活性和選擇性的改變。其二，實際反應常常是復雜的，當反應由平衡的一邊而不是另一邊趨嚮平衡時，副反應可能不一樣，影響催化劑的活性和選擇性。
催化作用之所以能加大反應速度，是因為反應動力學的參數如反應速率常數k、活化能E和反應級數n等對反應路徑很敏感。催化劑的作用是降低反應活化能（一般要下降100kJ/mol），增大反應速率常數，即改變瞭反應路徑，沿著一條更易轉化的路徑將反應物變成産物。一般來說，催化劑最重要的作用在於提供瞭一條路徑，沿此路徑形成中間錶麵絡閤物的活化能大大低於非催化均相反應的活化能。因為活化能是以指數形式齣現在速率方程式中的，略微改變活化能，即對反應速率有顯著影響。
2.2 催化作用的前奏——化學吸附
2.2.1 活性部位
在反應條件下，固體催化劑錶麵上的部位（site）是不均勻的。即使是純金屬，位於特定位置的原子，例如位於晶格缺陷或晶體棱邊和棱角上的原子，與平坦麵上的原子不同。現在有很多的方法測示證明這種不均勻性。1925年H.S.Taylor假定多相催化反應優先在催化劑錶麵特定的少數部位處發生，稱這些部位為活性部位（active site）。對於一個反應錶現活性的部位，對於另一個反應可能並不錶現活性，故通常難以準確地鑒定它們的結構和特性。在某些情況下活性部位可能是催化劑錶麵的一組或一簇相鄰近的原子集團；有時也可能實際上是吸附在催化劑上的某一物種。活性中心一詞常作為部位或一組部位的同義語用。

前言/序言

剛剛過去的20世紀，催化科學與技術為改善人們的生活質量發揮瞭巨大的作用。隨著催化科技的新發展，預計21世紀生物催化、環境催化和納米催化等在能源、環境、資源優化利用和人類健康等有關領域做齣更多貢獻。
《工業催化劑設計與開發》是編著者在多年從事工業催化專業研究生教學與研究基礎上完成的。本書由黃仲濤教授、彭峰教授主編。黃仲濤教授編寫瞭第1至3章，第1章論述瞭催化科學和工業催化發展簡史，課程的性質和任務，工業催化劑的基本要求等；第2章論述瞭催化作用的基本原則和基本模式，詮釋瞭作用原理和步驟，按金屬、閤金、復閤氧化物、固體酸堿、過渡金屬配閤物等眾多不同類型催化劑論述，最後簡介瞭組閤催化新技術；第3章論述瞭工業催化劑設計原理和方法，這是急劇快速發展的新領域，計算機的應用在催化研究中越來越廣泛，限於我們的水平此章中主要介紹瞭一些經驗推圖和設計思路。第4章介紹瞭催化材料學，由彭峰教授編著，他將自己近年來研究的領域和成果——納米催化以及國內外研究的新進展編入其中。
第5章工業催化的過程工程由餘皓副教授編寫。
第6章介紹瞭催化作用和催化過程的計算機模擬，這方麵的研究發展較快，已形成獨立的分支，專著也很多，此處隻作瞭嘗試性的介紹，
由李雪輝教授編寫。第7章論述瞭離子液體及其在環境催化中的應用，
由李雪輝教授與王紅娟博士共同編寫。
催化劑設計與開發的案例分析，由王紅娟博士編寫，第8、9、10章為能源工程中催化技術案例分析；第11、12、13章為生物催化技術案例分析；第14、15章為環境催化技術案例分析；第16章為催化發展展望，由黃仲濤、王紅娟編寫。
限於我們的經驗和水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請專傢和讀者賜教和糾正。
本書的策劃和齣版得到瞭化學工業齣版社、華南理工大學研究生院的鼎力幫助，特此緻謝！
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催化劑設計與開發的案例分析，由王紅娟博士編寫，第8、9、10章為能源工程中催化技術案例分析；第11、12、13章為生物催化技術案例分析；第14、15章為環境催化技術案例分析；第16章為催化發展展望，由黃仲濤、王紅娟編寫。

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