催化剂性能表征,指催化剂性能优劣的判断指标。其中最主要的是动力学指标,对于固体催化剂还有宏观结构指标和微观结构指标。
催化剂性能的动力学表征衡量催化剂质量的最实用的三大指标,是由动力学方法测定的活性、选择性和稳定性。
活性催化剂提高
化学反应速率的性能的一种定量的表征。在实际应用中,用特定条件下某一反应物的
转化率或时空得率等数值来衡量机械强度催化剂颗粒抵抗摩擦、撞击、重力、温度和相变应力等作用的能力,统称为机械稳定性或机械强度。机械强度按催化剂床层类型分为
抗压强度和抗摩强度。用于固定床的催化剂主要考虑抗压强度,用于
流化床的催化剂主要考虑抗摩强度,而用于移动床的催化剂则要二者同时考虑。
固体催化剂微观结构和性能表征表面结构固体催化剂起催化作用的部分是表面或表面若干层的原子所组成的活性中心。固体的表面结构常与固体内部不同,最明显的区别是表面原子不再受来自外侧的原子或分子的作用,表面层原子与第二层原子的间距常有0.3%~15%的收缩。这种表面弛豫现象向下逐层减弱,直至层间距与体相的层间距完全相同。有些固体,如铂、铱、金、铜-金合金、二氧化钛、
五氧化二钒等,其最外层原子还可能按与体相原子不同的对称形式排列,发生结构重排。此外,表面原子的氧化价态、电子结构和表面的化学组成也可能不同于体相。
结构缺陷理想的固体表面是能量稳定的原子紧密堆积的晶面,但微观的实际表面是不规整的,存在某些缺陷和吸附原子,还存在高指数晶面特征的原子排列:晶阶和晶曲等。晶体的缺陷主要有:点缺陷(包括夫伦克耳缺陷──间隙原子、肖特基缺陷──空位)和线缺陷(主要形式是边缘
位错和螺旋位错)。这些缺陷的存在使缺陷处的原子处于不平衡状态,与催化剂的活性有密切的关系。例如,烯烃
聚合反应就是在催化剂的离子缺位上进行的。负载型催化剂中,活性组分常以1~50纳米的尺寸高度分散在载体上,因而有占较大比例的晶阶、晶曲存在。20世纪60年代以来,许多实验表明,晶阶、晶曲处的原子表现出较大的吸附几率和较强的断裂
化学键的能力,在催化过程中有特殊的意义。
相组成催化剂常含有两种以上的组分。多组分催化剂在组成和结构上是不均匀的,可能是多相共存的混合物。例如,合成氨的铁催化剂是以Fe3O4添加Al2O3、K2O等助催化剂熔融后,再用氢气还原制成的。许多实验表明,在未还原的催化剂中,Fe3O4和Al2O3形成了反
尖晶石型的
固溶体;K2O则另成一相,聚集在固溶体的边界。此外,还发现可能存在体心结构的α-Fe2O3、FeO等相。还原后催化剂的表面中约40%为体心结构的α-Fe,称为A相。A相中掺杂少量助催化剂,形成难还原、耐高温的FeAl2O4,将α-Fe微晶隔开,起稳定晶格的作用。除A相外,以助催化剂为主,形成矿渣似的、外壳包围着α-Fe晶粒的物质,称为β相。催化剂的组成对催化剂的各项性能影响很大,这些影响与催化剂组分的化学特性、原子配比和制备、活化的方式紧密相关。
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