Гетерогенные каталитические материалы

Гетерогенные каталитические материалы — это твёрдые вещества, поверхности которых ускоряют химические реакции газов или жидкостей, не расходуясь при этом, и предоставляют активные центры, где реагенты адсорбируются, реагируют и десорбируются.

Definition

Гетерогенный катализатор — это твёрдое вещество, которое увеличивает скорость реакции, протекающей в другой фазе, предоставляя поверхностные активные центры, снижая активационный барьер посредством адсорбции и реорганизации связей, при этом само оставаясь неизрасходованным.

Scope

Эта тема охватывает материаловедение твёрдых катализаторов: нанесённые металлические наночастицы, оксиды металлов и микропористые цеолиты; активные центры и структуру поверхности, которые определяют активность и селективность; стадии адсорбции, поверхностной реакции и десорбции каталитического цикла; а также роль носителя, промоторов и пористости. Она связывает химию поверхности и дефектов с производительностью и долговечностью промышленных катализаторов.

Core questions

• Что представляют собой активные центры твёрдого катализатора?
• Как адсорбция, поверхностная реакция и десорбция составляют каталитический цикл?
• Как носитель, промоторы и пористость влияют на активность и селективность?
• Что вызывает дезактивацию катализатора?

Key concepts

• Активные центры
• Адсорбция и десорбция
• Нанесённые металлические катализаторы
• Цеолиты и селективность по форме
• Промоторы и носители
• Дезактивация и отравление

Key theories

Поверхностный каталитический цикл

Катализ протекает путём адсорбции реагентов на поверхностных центрах, реакции адсорбированных частиц и десорбции продуктов; прочность адсорбции должна быть промежуточной — достаточно сильной для активации связей, но достаточно слабой для высвобождения продуктов — что приводит к вулканообразной зависимости между энергией связи и активностью.

Активные центры, носители и селективность

Активность сосредоточена в специфических поверхностных центрах, структура и электронное состояние которых определяют реакцию; диспергирование активной фазы на носителе максимизирует количество центров, в то время как промоторы и селективные по форме поры цеолитов регулируют образование определённых продуктов.

Mechanisms

Молекулы реагентов хемосорбируются на поверхностных центрах, где связи ослабевают и перестраиваются; поверхностные интермедиаты реагируют, и продукты десорбируются, освобождая центр для следующего цикла. Активность зависит от прочности адсорбции и структуры центра, а дезактивация происходит в результате отравления, загрязнения, спекания или потери активной фазы.

Clinical relevance

Гетерогенные катализаторы лежат в основе большей части химической и энергетической промышленности: они используются для производства удобрений и топлива, переработки нефти, контроля автомобильных и промышленных выбросов, а также обеспечивают более чистый химический синтез, поэтому улучшение их активности, селективности и стабильности имеет широкое экономическое и экологическое значение.

History

Гетерогенный катализ развивался из промышленных процессов начала XX века, таких как синтез аммиака, при этом Сабатье и Ленгмюр заложили основы поверхностной реакционной способности и адсорбции. Более поздние исследования Эртля реакций на хорошо определённых поверхностях на атомном уровне, отмеченные Нобелевской премией 2007 года, установили молекулярное понимание принципов работы твёрдых катализаторов.

Key figures

• Gerhard Ertl
• Irving Langmuir
• Paul Sabatier

Seminal works

• chorkendorff2017
• thomas1997

Frequently asked questions

Почему промежуточная прочность адсорбции является наилучшей для катализатора?

Если реагенты связываются слишком слабо, они не активируются; если они связываются слишком сильно, продукты не могут покинуть поверхность и блокируют центр. Наиболее активные катализаторы связывают реагенты с промежуточной прочностью, что является балансом, отражённым в вулканообразной зависимости между энергией связи и активностью.

Что делает цеолиты полезными катализаторами?

Цеолиты — это кристаллические алюмосиликаты с регулярными порами молекулярного размера и кислотными центрами. Размеры их пор позволяют пропускать и высвобождать только молекулы определённых размеров и форм, обеспечивая селективный по форме катализ, который способствует образованию специфических продуктов, что ценно в нефтепереработке и химическом синтезе.