[科普中國(guó)]-多相催化

多相催化指在兩相（固-液、固-氣、液-氣）界面上發(fā)生的催化反應(yīng)，工業(yè)中使用的催化反應(yīng)大多屬于多相催化。多相催化發(fā)生在催化劑的表面，因此，多相催化反應(yīng)包含反應(yīng)物分子在催化劑孔內(nèi)的擴(kuò)散、表面上的吸附、表面上的反應(yīng)以及產(chǎn)物分子的脫附和孔內(nèi)擴(kuò)散等過(guò)程。對(duì)于催化劑來(lái)說(shuō)，吸附中心常常就是催化活性中心。吸附中心和吸附質(zhì)分子共同構(gòu)成表面吸附絡(luò)合物，即表面活性中間物種。反應(yīng)物質(zhì)在催化劑表面上的吸附改變了反應(yīng)的途徑，從而改變了反應(yīng)所需要的活化能。沒(méi)有吸附就沒(méi)有多相催化，多相催化反應(yīng)機(jī)理與吸附和擴(kuò)散機(jī)理是不可分割的。

多相催化反應(yīng)歷程在多相催化中有一個(gè)單獨(dú)的催化劑相，這就使得多相催化反應(yīng)的過(guò)程變得復(fù)雜起來(lái)。在反應(yīng)條件下，反應(yīng)物和產(chǎn)物多數(shù)為氣態(tài)物質(zhì)，而催化劑大多數(shù)采用多孔固體，其內(nèi)部的表面積極其廣大，一般每克催化劑的內(nèi)表面積達(dá)數(shù)百平方米之多，顆粒的外表面積與之相比微不足道?；瘜W(xué)反應(yīng)主要是在催化劑的內(nèi)表面上進(jìn)行的。因此反應(yīng)組分不僅要向外表面擴(kuò)散，而且還要向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，然后在顆粒內(nèi)表面上進(jìn)行反應(yīng)。產(chǎn)物則沿著相反方向從顆粒內(nèi)表面向流體主體擴(kuò)散。因此，多相催化反應(yīng)要經(jīng)歷以下步驟：

①反應(yīng)物向催化劑表面擴(kuò)散；

②反應(yīng)物在催化劑內(nèi)表面上吸附；

③被吸附的反應(yīng)物在催化劑表面上遷移、化學(xué)重排和反應(yīng)；

④產(chǎn)物從催化劑表面上脫附；

⑤產(chǎn)物由催化劑表面向流動(dòng)主體擴(kuò)散。1

傳質(zhì)過(guò)程在反應(yīng)條件下催化劑顆粒周?chē)煞磻?yīng)物分子、產(chǎn)物分子和稀釋劑等混合物組分形成一穩(wěn)定層流層，一個(gè)反應(yīng)物分子必須穿過(guò)此層流層才能到達(dá)催化劑顆粒的外表面。因?yàn)閷恿鲗幼璧K這種流動(dòng)，故在顆粒的外表面和氣流層之間形成一濃度梯度。

流體與催化劑外表面處的傳質(zhì)阻力主要集中在圍繞催化劑顆粒周?chē)?、厚度?mm以下的層流邊界層內(nèi)。層內(nèi)平行于顆粒表面的流體速度變化極大，在顆粒外表面處，流體速度為零，而在邊界層與流體主體的交界處，其速度與流體主體的速度相等。因此流體的物理化學(xué)性質(zhì)、流體力學(xué)性質(zhì)將影響到傳質(zhì)速率，此外顆粒的粒度也影響到傳遞過(guò)程的速率。

傳質(zhì)系數(shù)kG隨流體質(zhì)量速度增加而增加，因而組分A從流體主體向催化劑外表面?zhèn)鬟f的速率也隨流體質(zhì)量速度增加而加快。這表明流體質(zhì)量速度越低，外擴(kuò)散對(duì)多相催化反應(yīng)過(guò)程的影響越大。但大多數(shù)情況下，實(shí)際生產(chǎn)的流體質(zhì)量速度相對(duì)較大，屬于外擴(kuò)散控制的多相催化反應(yīng)過(guò)程不多。這種過(guò)程多是高溫反應(yīng)，如在Pt合金網(wǎng)上NH3及CH4氧化成HCN的過(guò)程，無(wú)孔Ag催化劑上CH3OH氧化成HCHO，在Ag催化劑上濃縮H2O的分解，汽車(chē)廢氣凈化器中CO及烴類(lèi)催化氧化等，外擴(kuò)散阻力一般不可忽略，甚至為外擴(kuò)散控制。1

多相催化劑多相催化劑又稱(chēng)非均相催化劑，呈現(xiàn)不同相的反應(yīng)中，即和它們催化的反應(yīng)物處于不同的狀態(tài)。例如，在生產(chǎn)人造黃油時(shí)，通過(guò)固態(tài)鎳（催化劑），能夠把不飽和的植物油和氫氣轉(zhuǎn)變成飽和的脂肪。固態(tài)鎳是一種多相催化劑，被它催化的反應(yīng)物則是液態(tài)（植物油）和氣態(tài)（氫氣）。一個(gè)簡(jiǎn)易的非均相催化反應(yīng)包含了反應(yīng)物吸附在催化劑的表面，反應(yīng)物內(nèi)的鍵因十分脆弱而導(dǎo)致新的鍵產(chǎn)生，但又因產(chǎn)物與催化劑間的鍵并不牢固，而使產(chǎn)物出現(xiàn)。現(xiàn)已知許多催化劑具有發(fā)生吸附反應(yīng)的不同可能性的結(jié)構(gòu)位置。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳鐵橋 - 副教授 - 湖南大學(xué)