催化劑性能表征

催化劑性能表征，指催化劑性能優劣的判斷指標。其中最主要的是動力學指標，對於固體催化劑還有巨觀結構指標和微觀結構指標。

性能表征

催化劑性能的動力學表征衡量催化劑質量的最實用的三大指標，是由動力學方法測定的活性、選擇性和穩定性。

活性催化劑提高化學反應速率的性能的一種定量的表征。在實際套用中，用特定條件下某一反應物的轉化率或時空得率等數值來衡量它，例如下列反應： aA+bB─→cC+dD

A的轉化率xA定義為：

機械強度催化劑顆粒抵抗摩擦、撞擊、重力、溫度和相變應力等作用的能力，統稱為機械穩定性或機械強度。機械強度按催化劑床層類型分為抗壓強度和抗摩強度。用於固定床的催化劑主要考慮抗壓強度，用於流化床的催化劑主要考慮抗摩強度，而用於移動床的催化劑則要二者同時考慮。

測定機械強度的方法有砝碼法、彈簧壓力計法、油壓機法、刀刃法、撞擊法、球磨法、氣升法、破碎最小降落高度法等。

熱導率又稱導熱係數，是當兩等溫面間的距離為1米、溫差為1℃時，由於熱傳導在單位時間內穿過1米麵積的熱量。催化劑的熱導率對強放熱反應特別重要。

固體催化劑微觀結構和性能表征表面結構固體催化劑起催化作用的部分是表面或表面若干層的原子所組成的活性中心。固體的表面結構常與固體內部不同,最明顯的區別是表面原子不再受來自外側的原子或分子的作用,表面層原子與第二層原子的間距常有0.3%～15%的收縮。這種表面弛豫現象向下逐層減弱，直至層間距與體相的層間距完全相同。有些固體，如鉑、銥、金、銅-金合金、二氧化鈦、五氧化二釩等,其最外層原子還可能按與體相原子不同的對稱形式排列，發生結構重排。此外，表面原子的氧化價態、電子結構和表面的化學組成也可能不同於體相。

結構缺陷理想的固體表面是能量穩定的原子緊密堆積的晶面,但微觀的實際表面是不規整的,存在某些缺陷和吸附原子，還存在高指數晶面特徵的原子排列：晶階和晶曲等。晶體的缺陷主要有：點缺陷（包括夫倫克耳缺陷──間隙原子、肖特基缺陷──空位）和線缺陷（主要形式是邊緣位錯和螺旋位錯）。這些缺陷的存在使缺陷處的原子處於不平衡狀態，與催化劑的活性有密切的關係。例如，烯烴聚合反應就是在催化劑的離子缺位上進行的。負載型催化劑中,活性組分常以1～50納米的尺寸高度分散在載體上，因而有占較大比例的晶階、晶曲存在。20世紀60年代以來,許多實驗表明,晶階、晶曲處的原子表現出較大的吸附幾率和較強的斷裂化學鍵的能力，在催化過程中有特殊的意義。

相組成催化劑常含有兩種以上的組分。多組分催化劑在組成和結構上是不均勻的，可能是多相共存的混合物。例如，合成氨的鐵催化劑是以Fe3O4添加Al2O3、K2O等助催化劑熔融後,再用氫氣還原製成的。許多實驗表明，在未還原的催化劑中，Fe3O4和Al2O3形成了反尖晶石型的固溶體；K2O則另成一相,聚集在固溶體的邊界。此外，還發現可能存在體心結構的α-Fe2O3、FeO等相。還原後催化劑的表面中約40%為體心結構的α-Fe，稱為A相。A相中摻雜少量助催化劑，形成難還原、耐高溫的FeAl2O4，將α-Fe微晶隔開，起穩定晶格的作用。除A相外，以助催化劑為主，形成礦渣似的、外殼包圍著α-Fe晶粒的物質，稱為β相。催化劑的組成對催化劑的各項性能影響很大，這些影響與催化劑組分的化學特性、原子配比和製備、活化的方式緊密相關。

參考書目

向德輝、翁玉攀等編：《固體催化劑》，化學工業出版社，北京，1983。