?催化剂载体的分类作用及选择

催化剂载体是负载型催化剂的组成之一。催化剂载体能使制成的催化剂具有合适的形状、尺寸和机械强度,以符合工业反应器的操作要求;催化剂载体可使活性组分分散在载体表面上,获得较高的比表面积,提高单位质量活性组分的催化效率。

催化剂载体都是一些固体物质,已经知道,一些固体物质典型的活性显示及发生熔融的温度存在以下的规律性:①固体典型活性显示的温度顺序为:金属<氧化物≤硫化物;②发生固体熔融的温度为:氧化物>金属≥硫化物。

属于非活性载体的又可分为合成物及天然物两类。合成物主要为氧化铝、氧化硅、氧化镁、硅酸铝及氧化锆等。它们可以制得较高的纯度,经高温熔结,可以制成疏松粉体、颗粒或块状物,具有低比表面积,能耐高温,用于负载活性极高的活性组分。天然物主要是一些含金属成分的矿石。

相对非活性载体又可分为绝缘体、半导体及金属三类。

1、绝缘体

绝缘体是一种导电能力小到可忽略不计的固体,是一些无定形或微晶形物质,价数不变而且稳定的金属氧化物常属于这种类型。天然物质有硅藻土、膨润土、蒙脱石、海泡石、蛭石及石棉等,用强酸处理后可以成为强酸性催化剂。

2、半导体

金属氧化物大都是半导体,它们在足够高的温度下表现出导电性。半导体的导电是由晶体中存在的结构缺陷所引起的,通常形成离子品格的氧化物具有半导体性质,而具有高熔融温度的半导体氧化物都可用作催化剂载体。TiO2、Cr2O3、ZnO等都是使用广泛的半导体,它们常用作加氢、脱氢及一些非贵金属催化剂的载体。

活性炭、石墨也属于半导体载体,活性炭的比表面积很大,而石墨的比表面积较小。在活化剂(ZnCI2)存在下,部分氧化和高温裂解制得的活性炭,在低温过程中显示有酸性并具有亲水表面,在高温过程中却有酸性和具有疏水表面。

3、金属

金属通常都是活性的。通常,金属不用来制作催化剂载体,但它们与其他物质相比,具有导热性能好、机械强度高、制造方便等特点。金属对活性组分的黏着性很差,它除去作为一些小面积无孔产品以外,一般是制成多孔性薄片形式。例如,蜂窝状骨架镍和在各种形状的金属板或条上喷涂其他活性金属制成的催化剂。

1、增加有效表面和提供合适的孔结构

催化剂所具有的孔结构及有效表面是影响催化活性及选择性的重要因素。采用适宜的催化剂载体及相应的制备方法,可使负载催化剂具有较大的有效表面及适宜的孔结构。一般认为,在多孔性固体催化剂上所进行的催化反应会经历以下步骤:

①呈流体的反应物分子的主体向催化剂外表面方向移动(或扩散),部分反应物分子在催化剂表面发生化学反应;

②未反应的剩余反应物分子继续向催化剂微孔内部移动(或扩散);

③在催化剂细孔内部(内表面)发生反应;

④生成的产物分子由细孔内部向外移动(或脱附);

⑤产物分子从催化剂外表面向流动主体移动(或扩散)。

因此,载体为这种催化反应历程提供适宜的表面及孔道或孔结构时,催化反应就能有效地进行。所以,有些活性组分,如粉状金属镍、金属银等,它们对某些反应虽有活性,但只有当负载于某种有一定孔结构的催化剂载体上并经成型后才能付于实用。

如上所述,选作催化剂用的载体希望具有适合于该反应物分子进入的细孔结构。如分子筛用作催化剂载体时,它不但具有筛分分子的作用,而且本身也具备催化作用,可以做到只使特定分子的反应物分子发生选择催化作用。

2、提高催化剂的机械强度

固体催化剂在使用过程中抵抗摩擦、冲击、受压及南于温度变化、相变等原因引起的各种应力的能力,统称为机械强度或机械稳定性。

例如萘催化氧化反应,用V2O5作催化剂,反应是在流化床上进行的强放热反应,反应物在爆炸范围内操作,有发生深度氧化的可能,因此要求催化剂载体具有高度热稳定性及耐磨强度,因此选择比表面较小,或孔隙较大的SiO2作载体,能满足对萘氧化催化剂的性能要求。又如乙烯氧氯化制二氯乙烷催化剂,选用Al2O3作载体比用SiO2具有更好的耐磨强度。

3、提高催化剂的热稳定性

工业上许多催化反应都是在高温条件下进行,如重油加氢裂化、催化燃烧、汽车尾气净化等,这类反应用的催化剂必须具有良好的热稳定性。

不使用载体的催化剂,活性组分颗粒紧密接触。在高温下,由于颗粒相互作用会逐渐聚集增大,使表面积减少,严重时则因烧结而导致活性显著下降。活性组分负载于载体上时,可以将催化剂活性组分的颗粒分散,防止颗粒因受高温而聚集。同时还因提高分散度、增加散热面积和导热系数,有利于热量除去,维持催化剂高温活性。

例如,将Pd及Cu单独用作加氢、脱氢反应的催化剂,反应温度在200℃时,就会发生半熔融和烧结而失去催化活性,如果将这些金属催化剂负载在Al2O3载体上时,由于金属分散度大大提高,即使在300~500℃的高温下长期使用也不发生烧结现象。

这是由于载体提高了催化剂的热稳定性,才使催化剂寿命延长。由此例也可看出,选择的催化剂载体本身应具有较好的热稳定性,在高温下自身不发生晶相变化,才能保证制得的催化剂有满意的热稳定性。在实用上,多数催化剂载体都是导热性能较好的材料。

4、减少活性组分用量,降低催化剂生产成本

二氧化硫氧化法制硫酸是工业上Z早使用固体催化剂的一个反应,先后使用过Fe、Pt及V催化剂,目前V已成为唯yi的催化剂活性组分,催化剂载体主要采用硅藻土,V2O5含量只占催化剂总质量的6%-7%就可使反应得到很高的收率。

5、提高催化剂的抗中毒性能

催化剂在使用过程中常会由于各种因素而使催化剂失活,特别是一些金属催化剂,如在反应物中含有能与活性组分发生结合反应,形成稳定的化合物时就会使活性显著下降。

烃类蒸汽转化催化剂中的活性组分Ni一旦与S或Cl等相接触则会生成十分稳定的硫化物或氯化物,催化剂的活性就会很快丧失。后来发现,如果将金属活性组分负载在催化剂载体上,就可提高催化剂的抗中毒性能。其原因除了由于载体使活性表面增加,降低对毒物的敏感性以外,催化剂载体还有分解和吸附毒物的作用。

重油加氢裂化过程采用双功能催化剂,抗氮中毒的能力是加氢催化剂的重要指标之一。早期的催化剂是将Ni负载在SiO2-Al2O3载体上,但重油中的氮化物会使催化剂中毒,所以,进行加氢裂化前必须先用Mo系催化剂除去氮化物。为了克服这种缺点,联合(石油公司)加氢裂化(法)采用的工艺中,采用了将0.5%Pd负载在含H离子的Y型分子筛上制成催化剂,就不会发生由于氮化物的存在而引起催化剂中毒,从而简化了工艺,提高生产效率。

6、均相催化剂的负载化

均相催化剂与固体催化剂相比较,其优点是:均相催化剂具有较确定的活性部位,金属原子的空间和电子的环境至少在原则上可以任意调节。其主要缺点是需要在损失其含有的金属情况下从反应产物中分离出来,分离步骤既复杂又费时,而且它容易中毒,还腐蚀反应器。如果能将均相催化剂浸载于“支载体”上或用某些方法与其化学键合,就可保持其优点,克服缺点。

用作均相催化剂载体化的载体有玻璃、硅胶、分子筛等无机物质,也有苯乙烯树脂、纤维素等有机物质。由于载体在催化剂中有时以络合物的特种配位体的形式存在和结合在一起,所以,它与一般固体催化剂用的载体多少有些区别。为区别起见,有时称它为“支载体”。

催化剂载体用于催化剂的制备上,原先的目的是为了节约贵重材料(如Pd、Pt、Au等)的消耗,即将贵重金属分散负载在体积松大的物体上,以替代整块金属材料使用。另一个目的是使用强度较大的载体可以提高催化剂的耐磨及抗冲击强度。

目前,用合成物质制备的催化剂载体(如Al2O3、SiO2、分子筛等)种类已很多,而且用于不同催化剂上有相应的不同制备方法。一般来说,用作催化剂的载体应具备以下条件:

①具有能适合反应过程的形状;

②有足够的机械强度,以经受反应过程的机械或热的冲击;有足够的抗拉强度,以抵抗催化剂使用过程中逐渐沉积在细孔里的污浊物的破裂作用;对流化床用催化剂载体还需有足够的耐磨强度;

③有足够的比表面积及细孔结构,以便能在其表面能均匀支载活性组分,为催化反应提供场所;

④有足够的稳定性,以抵抗活性组分、反应物及反应产物的化学侵蚀,并能经受催化剂的再生处理;

⑤不会有任何可以使催化剂中毒的杂质;

⑥导热系数、堆积密度适宜;

⑦制备方便、原料易得,制备时三废排放少。

而在选择及使用催化剂载体时,应该首先考虑到以下问题:

①所选择的催化剂载体是否具有催化活性;

③活性组分采用什么方式负载在载体上;

④需要的比表面积、孔体积及细孔结构、机械强度、导热性、形状及堆积密度等有关指标的范围。

①本文由仪器网入驻的作者或注册的会员撰写并发布,观点仅代表作者本人,不代表仪器网立场。若内容侵犯到您的合法权益,请及时告诉,我们立即通知作者,并马上删除。

THE END
1.影响新能源汽车质子交换膜燃料电池性能的关键因素研究引入非贵金属催化剂:非贵金属催化剂具有较低的成本和相对较高的活性,如过渡金属氧化物、碳基催化剂等。这些催化剂的活性和稳定性可以通过调控材料组成和结构进行优化。 表面修饰和保护:通过在催化剂表面引入覆盖层、合金化或封装等方法,可以增加催化剂的稳定性。这些修饰层可以减少催化剂的毒化和腐蚀,延长其寿命。 https://www.dongchedi.com/article/7243773655489102375
2.催化燃烧催化剂抗硫性的研究进展当有毒物质与主活性物种发生反应可引发永久性失活,从而造成催化剂的中毒失效。本文综述了贵金属、复合金属氧化物以及钙钛矿型催化剂应用于废气催化燃烧反应中的抗无机硫和有机硫性能,讨论分析了催化剂的中毒机理,提出了一些提高催化剂抗毒性的方法和手段,为开发具有高抗硫中毒特性的催化剂提供了一定的思路和方向。https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-RLHX202205005.htm
3.抗硫中毒钯炭催化剂的研究及其应用本文针对美罗培南、生物素等分子内含硫物质在氢化合成工序中遇到的钯炭催化剂抗硫中毒性能不佳等问题展开研究。通过对现有钯炭催化剂生产工艺的优化和改进,主要包括以下三个方面:①活性炭载体的预处理;②贵金属纳米晶粒的定点植入;③新的钯炭催化剂活化工艺。实现抗硫中毒钯炭催化剂在美罗培南、生物素等含硫物质合成https://wap.cnki.net/touch/web/Dissertation/Article/1017243445.nh.html
4./葛君杰/姜政Angew热点论文:单原子位点“携手”颗粒,协同催化结果表明IrNP@IrSA-N-C可以实现贵金属的高效利用,具有良好的实际应用前景。 随后,通过测试H2/CO混合物的电氧化催化性能来评价催化剂的CO耐受性。在CO含量为1000 ppm的H2气体中,Pt/C和Ir/C-HM均受到严重毒化,在电位达到0.5 V前,HOR被完全抑制。此外,经典的PtRu/C催化剂也受到了严重影响。然而,令人惊讶的是,https://www.shangyexinzhi.com/article/4346244.html
5.2022年度陕西省重点研发计划项目申报指南目录研究内容:针对易燃易爆危险环境中,人工巡检劳动强度高、巡检手段有限、不能及时发现有毒有害气体泄漏、效率低且有一定的危险性的行业痛点,研究激光雷达导航技术、三维地图构建、自主路径规划及自主避障技术、深度学习的智能图像识别技术、多传感器融合气体泄漏监测技术,研发以 5G 网络部署为基础的适用于危险爆炸性环境的巡http://www.kt180.com/html/sxs/9889.html
6.两电子氧还原制备过氧化氢:贵金属催化剂的几何与电子结构调控的O2吸附模式;重点总结并举例说明了贵金属材料的几何结构和电子结 构调控的方法学,强调了平衡优化催化活性和选择性的重要性;此外,简要介绍了基础实验室中 2e-ORR 催化 剂性能的评估方法;最后,讨论了贵金属电催化合成 H2O2的挑战和前景,特别是催化剂的稳定性和成本的客 观评价.旨在为新型 2e-ORR 催化剂的理性设计http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=18171