催化剂研究现状及应用

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摘 要：在现代化学工业过程中，特别是石油及化工工艺过程，催化作用对国民经济的发展、社会公民的健康以及环境污染的减少产生了重要作用，并依靠催化作用生产出众多的化学品与化学材料。因此催化剂广泛应用于各化工生产领域，为化工生产奠定基础。本文从催化剂的特征、组成结构、分类及应用来介绍催化剂。
关键词：催化剂；催化作用；特征；组成结构；分类；应用
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.047
通常研究一个化学反应体系时，要考虑化学反应是否能够进行以及化学反应所进行的程度。从经济角度进行考虑，一个化学反应过程是否能够应用于工业生产，必须要保证有较高的产率以及较快的反应速率，只有这样才能降低生产成本，节约资源以及减少能耗，催化剂的催化作用恰恰能够提高反应的选择性，缩短到达反应的平衡时间。作为推动化学工业以及石油工业的核心，催化剂及其催化作用在各高新领域面临着巨大的发展机遇。
1 催化剂的特征
催化剂通常具有四个基本特征：催化剂能够改变反应历程进而加快热力学允许的反应速率，只有热力学允许并且具有较大的平衡常数的反应，催化剂才能产生作用；催化剂能够同时加快正逆反应的反应速率，使反应尽快达到平衡；催化剂对反应具有较高的选择性，当反应朝着不同的方向进行时，催化剂可以使反应朝着生成目的产物的方向进行，提高反应的选择性与收率；催化剂具有特定的使用寿命，有的反应体系中含有杂质从而引起催化剂中毒，活性部位与化学结构遭到破坏，最终导致催化剂失去活性。
2 催化剂的组成结构
工业过程中普遍使用固体催化剂，且大多为多组元固体催化剂，多组元催化剂是由多种组分结合而成的混合体，并根据各种组分所产生的作用将催化剂分成三个部分：主催化剂是催化剂的活性组分，缺少主催化剂就无法完成催化作用；助催化剂在催化剂中的含量很少，其本身没有催化活性，其作用通常为抑制副反应的反应活性；载体能够改变主催化剂的形态与结构，对主催化剂起到良好的分散、黏合与支撑作用。
固体催化剂具有一定的外形与结构，而催化剂结构的不同主要在于晶相结构与孔结构的不同。催化剂包括三个级别的粒子构成：初级粒子、次级粒子与催化剂颗粒，也可根据孔半径的大小分为微孔、中孔和大孔，微孔孔径小于1nm，中孔孔径为1-25nm，大孔孔径大于25nm。
3 催化剂的分类及应用
3.1 酸碱催化剂
酸碱催化剂主要为主族元素的氧化物、酸、碱和盐，其对质子或电子对的亲和力决定了酸碱催化作用，由于在反应过程中电子成对进行转移，从而给出或得到一对电子，在液相中催化剂释放出氢氧根离子或氢离子，从而进行催化反应。
酸碱催化剂主要用于酸碱型机理的催化反应，目前酸碱催化剂广泛应用于石油化工与石油炼制等工业生产中，尤其是沸石分子筛因具有高效率与低污染的优点，逐渐代替了具有強腐蚀性与高污染的液体催化剂，促进了石油工业催化技术的快速发展。
3.2 金属催化剂
金属催化剂主要为过渡金属元素，活性组分为纯金属或合金，金属以晶体的形式存在。过渡金属元素最外层或次外层轨道未被电子填满，最外层含有1-2个s电子，次外层含有1-10个d电子，因此能级中的未成对电子可使催化剂表面发生物理吸附与化学吸附，活化吸附分子从而完成催化作用。
过渡金属易将物质吸附在金属表面，对含氢与烃的反应表现出良好的催化作用，但轻金属在反应条件下易被氧化，不适用于氧化反应。工业上金属催化剂常用于烃类加氢、脱氢及氧化反应，还用于氨的合成、费-托合成反应。
3.3 过渡金属氧化物催化剂
过渡金属氧化物催化剂主要为过渡金属元素氧化物，且活性组分大多由两种及两种以上氧化物组成，催化过程进行中d电子层易失去或得到电子，催化剂从反应物分子给出电子或得到电子，表现出较强的氧化还原性能，从而完成催化作用。
过渡金属氧化物催化剂对氧具有较强的亲和力，可作为氧化反应的催化剂，但不宜作为加氢反应催化剂，因其可能被还原成金属。工业上过渡金属氧化物催化剂常用于氨氧化、氧化脱氢、选择氧化及氧化等反应。
4 结语
催化剂及其催化作用能够明显降低生产成本，减少能源消耗，化学物质的工业生产几乎离不开催化剂的作用。目前催化剂广泛应用于石油炼制、石油化工、精细化工、合成材料、基础无机化工及生物催化，尤其在日益发展的今天，环境污染受到国家与社会重视，催化剂为环境催化提供了可能，它能够实现污染物的转化和减少污染排放，节约资源与保护环境。作为众多化学过程的核心及技术中心点，催化剂以及催化过程的开发将会成为诸多行业的重要推动力量，相信我国催化剂及其催化作用的研究与发展能够领先于世界水平。
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作者简介：孙久义（1998-），男，山东济宁人，学士在读，主要从事化学工程相关研究。