多相催化材料

多相催化材料是固体，其表面能加速气体或液体的化学反应，而自身不被消耗，提供活性位点，反应物在此吸附、反应并脱附。

Definition

多相催化剂是一种固体，通过提供表面活性位点，在不同相中发生的反应中提高反应速率，通过吸附和键重排降低活化能垒，而自身保持不被消耗。

Scope

本主题涵盖固体催化剂的材料化学：负载型金属纳米颗粒、金属氧化物和微孔沸石；决定活性和选择性的活性位点和表面结构；催化循环中的吸附、表面反应和脱附步骤；以及载体、助剂和孔隙率的作用。它将表面和缺陷化学与工业催化剂的性能和耐久性联系起来。

Core questions

• 固体催化剂的活性位点是什么？
• 吸附、表面反应和脱附如何构成催化循环？
• 载体、助剂和孔隙率如何影响活性和选择性？
• 催化剂失活的原因是什么？

Key concepts

• 活性位点
• 吸附与脱附
• 负载型金属催化剂
• 沸石与择形选择性
• 助剂与载体
• 失活与中毒

Key theories

表面催化循环

催化通过反应物吸附到表面位点、吸附物种的反应以及产物的脱附进行；吸附强度必须适中——既要足够强以活化键，又要足够弱以释放产物——这在结合能和活性之间形成了火山形关系。

活性位点、载体和选择性

活性存在于特定的表面位点，其结构和电子态决定了反应；将活性相分散在载体上可以最大化位点，而助剂和沸石的择形孔隙则可以调节产物的形成。

Mechanisms

反应物分子在表面位点上发生化学吸附，键在此处减弱并重排；表面中间体发生反应，产物脱附，从而释放位点以进行下一个循环。活性取决于吸附强度和位点结构，失活则通过中毒、结垢、烧结或活性相损失而发生。

Clinical relevance

多相催化剂是大部分化学和能源工业的基础：它们生产化肥和燃料，精炼石油，控制汽车和工业排放，并实现更清洁的化学合成，因此提高其活性、选择性和稳定性具有广泛的经济和环境影响。

History

多相催化起源于20世纪初的工业过程，如氨合成，萨巴蒂埃（Sabatier）和朗缪尔（Langmuir）为表面反应性和吸附奠定了基础。埃特尔（Ertl）后来对明确表面上反应的原子尺度研究，获得了2007年诺贝尔奖的认可，确立了对固体催化剂工作原理的分子理解。

Key figures

• Gerhard Ertl
• Irving Langmuir
• Paul Sabatier

Seminal works

• chorkendorff2017
• thomas1997

Frequently asked questions

为什么适中的吸附强度对催化剂最好？

如果反应物结合太弱，它们就不会被活化；如果结合太强，产物就无法离开并堵塞位点。最活跃的催化剂以适中的强度结合反应物，这种平衡体现在结合能和活性之间的火山形关系中。

是什么让沸石成为有用的催化剂？

沸石是结晶铝硅酸盐，具有规则的分子尺寸孔隙和酸性位点。它们的孔径只允许特定尺寸和形状的分子进入和释放，从而产生择形催化，有利于特定产物的形成，这在石油精炼和化学合成中具有重要价值。