微動力學在多相催化中的應用

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1、·26·化學通報2001年第1期http://www.chemistrymag.org知識介紹微動力學在多相催化中的應用紀紅兵王樂夫林維明(華南理工大學化學工程系廣州510641)摘要介紹了微動力學和催化反應綜合的基本概念,論述了進行微動力學分析的基本方法,扼要分析了微動力學用于多相催化的研究實例,認為微動力學將成為多相催化研究中重要的研究方法。關鍵詞微動力學分析催化反應綜合反應機理參數(shù)估算AbstractBasicconceptsofmicrokineticsandcatalyticreactionsynthesisareintroduced.Funda-mentalmetho

2、dsofcarryingoutmicrokineticanalysisarediscussed.Aninstanceofmicrokineticanalysisinheterogeneouscatalysisisbrieflyanalyzedandmicrokineticsisregardedasanimportantwayduringthestudyofheterogeneouscatalysis.KeywordsMicrokineticanalysis,Catalyticreactionsynthesis,Reactionmechanism,Parameterestimati

3、on工業(yè)催化的主要目的是選擇合適的催化材料和反應條件以得到活性高、選擇性好的催化劑。一般說來,如果擁有豐富的催化知識和對類似反應體系的經驗,可設計出滿足要求的催化劑;但如果采用微動力學分析方法,把與催化過程相關的實驗結果、理論及半理論半經驗性的信息綜合起來,定量地用于輔助催化劑設計,也可達到良好的效果。對微動力學的研究至今才發(fā)展了10余年。最初用于微動力學分析的都是些氣相自由基反應,如熱裂解、烴類的選擇性氧化及燃燒等,這是由于這些反應的速率常數(shù)比較容易得到;而把微動力學用于多相催化是很困難的。將微動力學用于多相催化應歸功于Dumesic及他的同事,1987年發(fā)[1]表了他們首篇關

4、于微動力學應用于多相催化的研究報道。在此之后,他們依據(jù)化學反應的相似性,采用經驗公式和過渡狀態(tài)的理論,對7個不同反應的許多催化劑體系進行了考察,所涉及的催化劑不僅包括已研究眾多的、具有大量數(shù)據(jù)的金屬催化劑,還包括人們研究甚少的金屬氧化物、固體酸等催化劑。在國內,應用微動力學進行多相催化研究還尚未見報道,但微動力學作為先進的研究方法,預計這幾年內將得到廣泛的應用。作者就微動力學的概念和基本研究方法簡要做一論述,最后將舉一多相催化中的研究實例,意為拋磚引玉。1基本概念微動力學分析(MicrokineticAnalysis)是根據(jù)催化表面的基本化學反應、反應間相互關系以及紀紅兵男,30

5、歲,講師,博士,從事多相催化、計算機輔助催化劑設計。廣東省自然科學基金(980569)和廣東省博士啟動基金(984053)資助項目1999-07-29收稿,2000-03-20修回http://china.chemistrymag.org化學通報2001年第1期·27·[1]催化反應和表面間的相互關系所進行的催化反應的分析。而催化反應綜合(CatalyticReactionSynthesis)是綜合考慮來自實驗和理論的表面化學信息,[2]描述如何高收率地得到某一目的產物所相關的催化劑、催化反應體系以及反應條件等。就某一特定催化反應體系,催化反應的宏觀動力學分析可提出可能的催化過程

6、反應機理;譜學分析提供了催化劑結構和表面組成信息以及靜態(tài)和動態(tài)反應中間物種;而對單晶的某些超高真空分析提供了化學鍵的本質和固體表面活性的信息。一方面由于所采用的測試技術和方法不同,對同一反應體系有著大量的實驗結果;另一方面,許多學者對同一反應體系進行研究一般是分別在不同的條件下進行,可以想象,可收集的數(shù)據(jù)多么龐大。因此進行催化反應綜合是非常困難的。在多相催化研究中一個非常重要的問題是對出自不同來源的數(shù)據(jù)進行解釋、分類和綜合,給催化反應綜合創(chuàng)造條件。而對數(shù)據(jù)的解釋、分類和綜合正是微動力學分析的內容,只有通過對催化過程進行微動力學分析,才有可能進行催化反應綜合。2微動力學分析微動力學

7、分析的主要作用是將實驗數(shù)據(jù)、基本理論和與催化過程相關的經驗式統(tǒng)一起來,綜合考慮在表面化學和實驗分析中的基本概念,以期定量解釋催化現(xiàn)象,建立催化反應綜合的基礎。微動力學分析主要包括以下幾方面:2.1催化反應機理進行微動力學分析的第一步是建立能解釋催化反應機理的基元反應。由于多相催化本身的復雜性,除了對于一些最簡單的催化過程,其反應機理已研究得較透徹,對于大多數(shù)催化過程,其機理的研究還遠遠不夠。因此,在對某一催化反應體系進行微動力學研究時,機理分析的正確與否是整個微動力學分析的關鍵所