催化科學和技術遍及人們生活的各個領域從衣、食、住、行到環(huán)境、建慷、生命以及國防安全。當前中國石油的煉制能力已經超過3億噸、煉鋼產能超過億頓、化肥生產量居世界首位、三大合成亦已成為最大生產和需求國,椐統(tǒng)計化學工業(yè)的80%產值是經催化作用取得,國民經濟GDP占20%可見其重要性。了解和掌握由成千個反應和上萬個催化劑構成的厐大知識領域,這對催化和材料專業(yè)研究生教育至關重要。本書-現(xiàn)代催化化學和它的姊妹篇-現(xiàn)代催化研究方法(已于2009年由科學出版社出版)能夠給其一個廣博和札實的專業(yè)基礎。根椐目前中國的國情對催化科學和技術的需求是大量的、多方面的。各高等院校、企事業(yè)研究單位、科研院所從事催化、材料相關研究的隊伍相當龐大。盡快普及和提高這方面的專業(yè)知識有廣闊的前景和重要意義。
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催化科學和技術遍及人們生活的各個領域,從衣、食、住、行到環(huán)境、健康、生命及國防安全。當前中國的石油煉制能力已經超過5億噸/年,煉鋼產能超過億噸/年,化肥生產量居世界首位,亦已成為世界最大的三大合成材料(合成纖維、合成橡膠、合成樹脂)生產國和需求國。據(jù)統(tǒng)計,化學工業(yè)的80%產值是經催化作用取得,占國民經濟GDP約20%,可見其重要性。了解和掌握由成千個反應和上萬種催化劑構成的龐大知識領域,對催化和材料專業(yè)研究生教育至關重要。本書《現(xiàn)代催化化學》和它的姊妹篇《現(xiàn)代催化研究方法》(將于2017年由科學出版社出版第二版)能夠給其一個廣博和扎實的專業(yè)基礎。根據(jù)目前中國的國情,對催化科學和技術的需求是大量的、多方面的。各高等院校、企事業(yè)研究單位和科研院所從事催化、材料相關研究的隊伍相當龐大,盡快普及和提高這方面的專業(yè)知識有重要意義和廣闊的前景。
近年來,國內催化化學的書有幾本,多是從反應種類(反應別)來闡述或是按催化劑材料種類(元素別)來撰寫的,有的則是兩者的混合,這些寫法可以方便于深刻闡述其作用原理、反應機理、科學分類等。但是,由于催化化學的領域龐大且繁多,例如,在石油煉制領域就有上千種催化劑和上百個反應,學生在走向工作崗位時或實際應用時往往很難“對接”。為了便于實用,本書采取按領域分類,進一步吸取按催化材料分類和按反應分類的優(yōu)勢重點介紹其關鍵命題的原理作為本書的經緯。另外,本書兼顧“路線圖”、“網絡性”和“科學性”三個方面的作用,試圖有利于讀者同實際“對接”。
為此,本書第一章以催化作用的核心——活性中心的本質、結構、性能及調變規(guī)律的認識展開,以期給人們理論上的認識。繼而在第二章講述催化劑制備科學,試圖從最常用的催化劑制備過程闡明其化學原理,達到舉一反三的作用。其后各章,相繼介紹催化化學的主要應用領域:氨合成化學、石油煉制化學、三大合成、合成氣化學、石油化工一精細化工、環(huán)境催化和生物質催化轉化。
目錄
“催化與材料化學研究生教學叢書”序
前言
第1章 催化活性中心/活性相概念的認知1
1.1引言1
1.2經典的催化基礎研究(1900~1960年)3
1.2.1在金屬催化劑表面的化學吸附3
1.2.2化學吸附的分子軌道描述4
1.2.3化學吸附的主要研究方法5
1.2.4金屬催化劑的d電子理論10
1.2.5在金屬氧化物催化劑表面的化學吸附13
1.2.6表面鍵的研究16
1.3表面科學對催化研究的推動19
1.3.1活性相/活性中心的識別21
1.3.2氨合成活性相研究21
1.3.3探針分子的紅外光譜23
1.3.4參與反應的活性相/活性中心的識別25
1.4納米科學與技術對催化科學的沖擊28
1.4.1催化劑活性中心/活性相粒子大小、分布、組成、結構的控制合成和表征28
1.4.2催化劑活性中心/活性相的形貌控制32
1.4.3在多孔材料孔中活性相的調控和表征33
1.4.4納米反應器的設計合成34
1.4.5全紫外-可見區(qū)激光共振拉曼光譜36
1.4.6多孔催化材料合成原位表征37
1.4.7催化中的限域效應40
1.5展望42
參考文獻43
第2章 固體催化劑制備技術原理46
2.1引言46
2.2本體催化劑47
2.2.1沉淀/共沉淀法47
2.2.2溶膠-凝膠法56
2.3負載催化劑61
2.3.1金屬離子在載體表面的吸附61
2.3.2浸漬法66
2.3.3沉積沉淀法70
2.4固體催化劑制備技術進展78
2.4.1微波和等離子體技術78
2.4.2原子層沉積法81
2.4.3微/納乳液法83
2.5結語和展望87
參考文獻88
第3章 氨合成化學98
3.1引言98
3.2工業(yè)合成氨過程99
3.2.1原料氣制取99
3.2.2原料氣凈化100
3.2.3氨合成及其熱力學101
3.3氨合成催化劑102
3.3.1催化劑的化學組成102
3.3.2熔鐵催化劑的制備過程與化學反應104
3.3.3氨合成催化劑的還原106
3.3.4熔鐵催化劑的結構109
3.4氨合成催化反應機理113
3.4.1氫氣和氮氣的活化113
3.4.2氮化物的形成115
3.4.3基元步驟116
3.4.4氨合成反應機理119
3.4.5氨分解反應機理121
3.4.6結構敏感與結構非敏感反應122
3.5氨合成總包反應動力學124
3.5.1Temkin方程式124
3.5.2Temkin-Pyzhev氨合成反應速率方程126
3.5.3氨合成反應宏觀動力學127
3.5.4氨合成反應器130
3.6新型氨合成催化劑和技術132
3.6.1新型氨合成催化劑132
3.6.2新型氨合成技術134
參考文獻138
第4章 石油煉制催化作用143
4.1引言143
4.2石油的性質及化學組成144
4.3催化裂化及加氫裂化中的催化作用144
4.3.1催化裂化反應145
4.3.2催化裂化催化劑148
4.3.3催化裂化工藝流程154
4.3.4加氫裂化反應154
4.3.5加氫裂化催化劑158
4.3.6加氫裂化工藝流程161
4.4加氫精制中的催化作用165
4.4.1加氫精制中的化學反應165
4.4.2加氫精制催化劑172
4.5催化重整中的催化作用176
4.5.1催化重整中的化學反應177
4.5.2催化重整催化劑179
4.5.3催化重整原料的選擇和預處理183
4.5.4催化重整工藝流程184
參考文獻186
第5章 三大合成催化189
5.1引言189
5.1.1合成高分子的歷史發(fā)展189
5.1.2合成高分子材料的重要價值190
5.1.3合成高分子材料分類191
5.2高分子材料合成中典型催化問題195
5.2.1聚烯烴材料及其催化劑195
5.2.2合成橡膠材料及其催化聚合207
5.2.3合成聚酯材料及其催化聚合209
5.3展望211
參考文獻212
第6章 合成氣化學215
6.1引言215
6.2合成氣中樞216
6.2.1合成氣中樞的概念216
6.2.2合成氣中樞的催化技術217
6.3合成氣制造218
6.3.1煤氣化制合成氣219
6.3.2天然氣(含煤層氣、頁巖氣等)制合成氣219
6.3.3生物質氣化制合成氣225
6.4合成氣轉化利用229
6.4.1合成氣轉化利用概述229
6.4.2合成氣轉化制含氧化合物229
6.4.3合成氣轉化制烴燃料236
6.4.4合成氣轉化制低碳烯烴239
6.5結論和展望243
參考文獻243
第7章 石油化工-精細化工249
7.1引言249
7.2催化加氫251
7.2.1加氫催化劑252
7.2.2苯加氫制環(huán)己烯253
7.2.3硝基化合物加氫制芳香胺254
7.2.4脂肪酸及其酯加氫255
7.2.5生物質來源化合物加氫制化學品256
7.3烴類催化氧化258
7.3.1烴類氧化催化劑260
7.3.2環(huán)己烷氧化制環(huán)己酮和己二酸268
7.3.3對二甲苯氧化制對苯二甲酸270
7.3.4甲苯和乙苯氧化273
7.3.5苯氧化制苯酚274
7.3.6環(huán)己烯氧化制己二酸277
7.3.7丙烯環(huán)氧化制環(huán)氧丙烷278
7.4醇催化氧化制醛(酮)279
7.4.1貴金屬催化體系279
7.4.2非貴金屬體系282
7.4.3有機催化體系284
7.5氨氧化286
7.5.1丙烯氨氧化286
7.5.2丙烷氨氧化287
7.5.3甲苯及取代甲苯氨氧化287
7.5.4結語288
7.6羰基化288
7.6.1烯烴氫甲酰化289
7.6.2烯烴氫羧基化290
7.6.3甲醇羰基化291
7.6.4鹵代烷與CO的羰基化反應292
7.6.5胺與CO的羰基化反應292
7.7酯化292
7.7.1酯化反應的類型292
7.7.2酯化反應歷程與熱力學293
7.7.3酯化反應的催化劑294
7.7.4酯化工藝295
7.8展望295
參考文獻296
第8章 環(huán)境催化306
8.1環(huán)境催化及其特殊性306
8.1.1環(huán)境催化的定義、研究對象和任務307
8.1.2環(huán)境催化的特殊性309
8.2移動源燃燒排放的催化凈化310
8.2.1汽油車尾氣催化凈化311
8.2.2柴油機和稀燃汽油機尾氣催化凈化316
8.2.3清潔燃料車尾氣催化凈化322
8.3固定源燃燒排放的催化凈化324
8.3.1煙氣選擇性催化還原脫硝原理和技術325
8.3.2煙氣催化脫硫330
8.3.3同時催化脫硫脫硝技術333
8.4室內空氣催化凈化335
8.4.1室內空氣光催化凈化336
8.4.2室內空氣常溫催化凈化337
8.4.3低溫等離子體協(xié)同催化技術339
8.5水處理過程中的多相催化342
8.5.1光催化水處理技術342
8.5.2綠化催化新工藝——芬頓技術的發(fā)展及應用344
8.5.3臭氧催化氧化水處理技術346
8.5.4濕式催化氧化技術347
8.5.5雙金屬催化劑催化去除水中硝酸鹽350
8.6溫室效應和臭氧層消耗物質的催化轉化352
8.6.1甲烷二氧化碳催化重整352
8.6.2氧化亞氮的催化消除353
8.6.3氯氟烴的無害化357
8.6.4羰基硫的催化水解和氧化358
參考文獻360
第9章 生物質催化轉化368
9.1生物質簡介368
9.1.1生物質的定義368
9.1.2生物質的分類369
9.1.3生物質的主要組分369
9.1.4生物質的轉化利用371
9.2纖維素轉化371
9.2.1組成結構371
9.2.2理化性質373
9.2.3纖維素的催化轉化374
9.3半纖維素轉化384
9.3.1組成385
9.3.2理化性質387
9.3.3半纖維素的催化轉化387
9.4木質素393
9.4.1組成結構393
9.4.2木質素的性質394
9.4.3木質素的催化轉化395
9.5糖及其衍生物的轉化409
9.5.1糖的基本知識410
9.5.2單糖、寡糖和多糖411
9.5.3單糖的催化轉化415
9.6多元醇的轉化426
9.6.1多元醇性質和來源426
9.6.2多元醇的轉化利用428
9.7油脂和藻類生物質438
9.7.1油脂的分類與組成438
9.7.2油脂的利用439
9.7.3微藻的利用446
9.7.4微藻的催化轉化利用448
參考文獻449
作者簡介463