產(chǎn)品特性
固體催化劑的性能，主要指它的活性、選擇性和穩(wěn)定性。這是衡量催化劑質(zhì)量的最直觀、最有現(xiàn)實意義的基本特性參數(shù)。一種良好的催化劑必須具備高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性。只有具備這些條件，在催化合成反應(yīng)中才有使用價值。
(一) 催化劑的活性 固體催化劑的活性(催化活性)是表示催化劑加快化學反應(yīng)速度的一種量度，是指催化反應(yīng)速度與非催化速度之差。當非催化反應(yīng)速度小到可以忽略不計的情況下，催化反應(yīng)活性實際上就相當于催化反應(yīng)的速度。在工業(yè)上，催化劑的活性通常用單位體積(或單位質(zhì)量)催化劑在特定反應(yīng)條件下，在單位時間內(nèi)所得到的目的產(chǎn)物的質(zhì)量來表示。因此，它的單位可以是kg(目的產(chǎn)物)/kg催化劑·h或g(目的產(chǎn)物)/g催化劑·h或kg(目的產(chǎn)物)/L催化劑·h。上述表示法稱做催化劑的負荷。用在特定的氣體時空速度下反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率或目的產(chǎn)物的收率來表示。氣體時空速度是指在一定體積的催化劑上每小時所通過的反應(yīng)氣體的體積。因此，時空速度的單位是V/h。一定體積的催化劑上，每小時所通過的反應(yīng)氣體的體積。因此，時空速度的單位是V/h。
(二) 催化劑的選擇性 催化劑并不是對熱力學所允許的所有化學反應(yīng)都起作用，而是能特別有效地加速平行或串聯(lián)反應(yīng)，催化劑對這類復(fù)雜反應(yīng)有選擇地發(fā)生催化作用的性能狀態(tài)稱為催化劑的選擇性。選擇性的量度有二種，應(yīng)用較廣的一種是主產(chǎn)物產(chǎn)率(或稱為選擇率)，另一種是選擇因子(或稱選擇度)，催化劑的選擇性與催化劑的組成、制備方法及反應(yīng)條件等因素有關(guān)。 催化劑最重要的特征是其選擇性。若一個催化劑的活性高而選擇性不好，則會使產(chǎn)物的分離，提純及副產(chǎn)物的處理等遇到困難，造成經(jīng)濟成本的增加，而且往往會造成環(huán)境的污染，因此對于許多工業(yè)過程來講，提高催化劑的選擇性，常常比單純加快反應(yīng)速度的意義更大。
(三) 催化劑的穩(wěn)定性 催化劑的穩(wěn)定性通常以壽命表示，指催化劑在使用條件下，維持一定活性水平的時間(單程壽命)，或者每次下降后經(jīng)再生而又恢復(fù)許可活性水平的累計時間(總壽命)。催化劑的穩(wěn)定性包括對高溫熱效應(yīng)的熱穩(wěn)定性，對摩擦、沖擊、重力作用的機械穩(wěn)定性和對毒物毒化作用的抗毒穩(wěn)定性。此外，還有對結(jié)焦、積炭和抗衰變穩(wěn)定性和對反應(yīng)氣氛的化學穩(wěn)定性。衡量催化劑耐熱穩(wěn)定性，是從使用溫度開始逐漸升溫，看它能夠忍受多高的溫度和維持多長的時間而活性不變。耐熱溫度越高，時間越長，則催化劑的壽命越長。在反應(yīng)物或副產(chǎn)物中有害物質(zhì)(毒物)對催化劑的毒化作用，使活性、選擇性降低，壽命縮短的現(xiàn)象稱為催化劑中毒。催化劑對有害雜質(zhì)毒化的抵抗能力稱為催化劑的抗毒穩(wěn)定性。各種催化劑對各種雜質(zhì)有著不同的抗毒性，同種催化劑對同一雜質(zhì)在不同的反應(yīng)條件下也有不同的抗毒能力。因此某種雜質(zhì)對某種催化劑在給定的條件下是否有毒化作用要具體分析 [1]。 產(chǎn)品組成編輯 播報 固體催化劑一般由活性組分、助催化劑及載體三部分組成，但部分催化劑只有活性組分及載體兩部分。選擇活性組分是研制催化劑首先要考慮的問題，它對催化劑的活性及選擇性起著決定性作用?；钚越M分確定以后，選擇載體則是需要考慮的另一個重要問題。助催化劑與載體的作用有時不太好區(qū)分。研究發(fā)現(xiàn)，在活性組分中加入少量其他物質(zhì)(助催化劑)后，催化劑在化學組成、晶體結(jié)構(gòu)、離子價態(tài)、酸堿性質(zhì)、比表面大小、機械強度及孔結(jié)構(gòu)上都可能產(chǎn)生變化，從而大大增加催化劑的活性及選擇性，而載體有時候也能起到這種作用。所以一般將催化劑中含量較少(通常低于總量的1/10)而又是關(guān)鍵性的第二組分稱為助催化劑。如果第二組分的含量較大，且它所起的作用主要是改進所制備催化劑的物理性能時，就稱為載體。 載體用于催化劑的制備上，原先的目的是為了節(jié)約貴重材料(如Pd、Pt、Au等)的消耗，即將貴重金屬分散負載在體積松大的物體上，以替代整塊金屬材料使用。另一個目的是使用強度較大的載體可以提高催化劑的耐磨及抗沖擊強度。所以，初始的載體是碎磚、浮石及木炭等，只從物理、機械性質(zhì)及價格低等方面加以考慮，而后在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，不同材料的載體會使催化劑的性能產(chǎn)生很大差異，才開始重視對載體的選擇并進行深入的研究。 用作催化劑載體的物質(zhì)可分為天然物及合成物質(zhì)兩類，天然物質(zhì)(如浮石、白土、硅藻土、鐵礬土及石英等)由于其來源不同在性質(zhì)上有很大差異，而且它們所具有的比表面積及細孔結(jié)構(gòu)都有限，加上還夾帶一些雜質(zhì)。所以，工業(yè)催化劑所用載體大部分采用人工合成的物質(zhì)，有時為了降低成本或某種性能的需要，也在合成物質(zhì)中混入一定量的天然物質(zhì)。 用合成物質(zhì)制備的催化劑載體種類已很多，而且用于不同催化劑上有相應(yīng)的不同制備方法。
一般來說，用作催化劑的載體應(yīng)具備以下條件：
1、具有能適合反應(yīng)過程的形狀；
2、有足夠的機械強度，以經(jīng)受反應(yīng)過程的機械或熱的沖擊；有足夠的抗拉強度，以抵抗催化劑使用過程中逐漸沉積在細孔里的污濁物的破裂作用；對流化床用催化劑載體還需有足夠的耐磨強度；
3、有足夠的比表面積及細孔結(jié)構(gòu)，以便能在其表面均勻支載活性組分，為催化反應(yīng)提供場所；
4、有足夠的穩(wěn)定性，以抵抗活性組分、反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物的化學侵蝕，并能經(jīng)受催化劑的再生處理；
5、不會有任何可以使催化劑中毒的雜質(zhì)； 6、導熱系數(shù)、堆積密度適宜； 7、制備方便、原料易得，制備時三廢排放少。 而在選擇及使用載體時，
應(yīng)該首先考慮到以下問題：
1、所選擇的載體是否具有催化活性；
2、載體是否可能與活性組分發(fā)生化學作用。如有作用，這種作用是要求的還是不需要的，產(chǎn)生的影響如何；
3、活性組分采用什么方式負載在載體上；
4、需要的比表面積、孔體積及細孔結(jié)構(gòu)、機械強度、導熱性、形狀及堆積密度等有關(guān)指標的范圍。 有些催化劑載體制備過程是十分復(fù)雜的，技術(shù)難度也較大。因此有些用戶往往是向一些專業(yè)生產(chǎn)廠訂購某種載體。有時由于保密或其他某種原因不能明確提出使用目的或者難以提出所要求的性能指標時，載體生產(chǎn)廠只能提供多種產(chǎn)品的樣品，由使用者多次使用，這樣做既費時，收效也不太大。如果使用者能對所選用載體性能要求有基本了解，能更詳細的提出所需載體的形狀，孔結(jié)構(gòu)、強度等有關(guān)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)廠就有可能提供更適用的產(chǎn)品，或者按照用戶要求進行試制，見效也就更快 。
制備方法 固體催化劑制備設(shè)計應(yīng)遵循下面步驟進行：
1、詳細分析研究對象和明確問題所在。對于不同的要求，設(shè)計催化劑時考慮的方面和深度會有差別。例如，設(shè)計一個乙炔加氫變成乙烯還是變成乙烷催化劑，如果要求乙炔加氫變成乙烯，設(shè)計催化劑時選擇性就是重點考慮的問題；如果加氫變成乙烷，選擇性就可不予考慮。
2、寫出在確定條件下可能發(fā)生的化學反應(yīng)式，包括主反應(yīng)及副反應(yīng)。
3、進行熱力學計算，確定哪些反應(yīng)是可行的，哪些反應(yīng)是不可能進行的。
4、根據(jù)已知的基礎(chǔ)知識和某些規(guī)律性的資料，設(shè)計對所需反應(yīng)有利而對副反應(yīng)不利的可能的催化劑類型和主要化學組分。
5、選擇次要組分和載體。
6、通過試驗驗證初步的設(shè)計，根據(jù)試驗結(jié)果再進行設(shè)計(修改、補充起初的設(shè)計)，然后再驗證，反復(fù)進行。在催化劑制備時，常常使用一系列化學的、物理的和機械的專門處理，催化劑盡管組分和含量完全相同，但是只要處理細節(jié)稍有差異，就可能使催化劑的微觀結(jié)構(gòu)不同，而導致催化性能有很大的差異，甚至不符合使用要求。因此，催化劑制備細節(jié)都是嚴格保密，或采用專利保護的。 固體催化劑的制備方法主要有：共沉淀法(沉淀法、捏合法)、浸漬法(吸附法、等體積浸漬法、初期潤濕法、蒸發(fā)干固法、噴涂法)、離子交換法、凝膠法、熔融法等。 產(chǎn)品應(yīng)用編輯 播報 固體催化劑在藥物合成方面有比較廣泛的應(yīng)用，在氧化、還原、酯化等重要的化學反應(yīng)中經(jīng)常使用。盡管均相催化劑的催化效率比非均相催化效率高，有的甚至可以達到1000倍以上，使用固體催化劑與反應(yīng)物進行非均相反應(yīng)，仍然因其自身的一些優(yōu)勢深受歡迎，如生成物與催化劑容易分離，后處理工藝簡易；催化劑能夠回收循環(huán)使用，節(jié)約催化劑用量；容易使催化劑在常態(tài)下穩(wěn)定。 非均相催化反應(yīng)過程可以看做以下連續(xù)的五個步驟：反應(yīng)物向催化劑表面擴散；反應(yīng)物附著在催化劑表面(包括物理吸附和化學吸附)；反應(yīng)物在催化劑表面發(fā)生化學反應(yīng)，生成產(chǎn)物；產(chǎn)物從催化劑表面向介質(zhì)中擴散。 由以上過程可以看出，在選擇固體催化劑時，需要關(guān)注的固體催化劑的性質(zhì)指標包括比表面積、孔隙度、孔直徑、粒子大小、機械強度、導熱性質(zhì)和穩(wěn)定性等。機械強度、穩(wěn)定性等性質(zhì)關(guān)系到催化劑的壽命。例如，在流化床中催化劑會在流態(tài)化物料中劇烈運動，磨損是比較大的，要求催化劑有很高的機械強度。 由于重復(fù)使用，固體催化劑也要求具有很好的穩(wěn)定性。對于熱穩(wěn)定性而言，不同溫度下，固體催化劑表現(xiàn)的機械強度與溫度對其微觀結(jié)構(gòu)的影響有關(guān)。固體催化劑從常溫到高溫，要脫除吸附的水及其他吸附物。催化劑的體積先膨脹后發(fā)生收縮：先是含有水分的毛細管受熱膨脹，加熱使水分不斷蒸發(fā)離去時，毛細管受到巨大的毛細壓力被壓縮或壓碎。再如早期使用骨架鎳作為加氫催化劑，干燥狀態(tài)下本身在空氣中就會自燃，只好保存在水中。后來人們進行部分鈍化改性，使其不致自燃又保留足夠的活性，以方便使用。 催化劑的比表面積、孔隙度、孔直徑等指標，關(guān)系到催化劑的活性。催化劑的比表面積越大，接觸反應(yīng)物的機會越多，越有利于反應(yīng)，表現(xiàn)的活性就越強?？字睆皆酱螅磻?yīng)速率越大 。