应用催化基础

出版时间：2009-5  出版社：化学工业出版社  作者：吴越 著  页数：496  字数：833000  
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前言

“催化”是一个应用范围广、实用性强、基础面宽、精髓的理论与实践兼容并蓄的领域。笔者曾在《催化化学》(上、下册)一书中就其化学内涵做过详细阐述,在《现代催化原理》一书中又对当前这个领域内的一些前沿科学问题做过探讨。据业内人士反映,这两本书不太适合学生参考,尤其是工科学生。因此,化学工业出版社希望笔者能在以往工作的基础上,编写这本实用且应用性较强的催化基础方面的书籍。 笔者认为,作为一个催化工作者,无论是现在还是将来,所应必备的基础知识应该与开发催化工艺过程有关。众所周知,一个催化工艺的开发,即从催化反应、催化剂的研究到实际生产应用,都要经历几个相互衔接的阶段,循序渐进。开发催化工艺的这种连贯性,主要来之于过程中各阶段有一个共同的基础——化学。根据笔者在《现代催化原理》一书中对“催化”这一学科所作分析:催化的基础是化学。催化按其化学内涵分成：a 催化化学——以开发“新”催化反应(工艺)和“新”催化剂为目标；b 催化原理——为了阐明过程的化学本质。即使像催化剂已在开发阶段定型将走向工业化的阶段时，还是要以化学(化学工程学——传质、传热对化学反应的影响)作为研究基础的。由此可见,催化工艺的开发,实际上只是以解决催化剂实际应用中各阶段的问题为目的的。所以,催化工艺的开发过程常常被业内人士界定为应用催化，这是没有错的。《应用催化基础》一书即以此为导向,阐述催化工艺开发过程中所涉及的基础问题。 本书分4部分，共12章。 第一部分,通论。从三个层面:a  催化(应用和基础)的发展历史(第一章);b 现代重要催化工业(第二章);c 在“化学”基础上建立起来的一些共识(第三章)。首先阐明了催化科学和技术的现代水平，通过介绍几个有时代特征的催化剂——合成氨催化剂、FT合成催化剂、ZieglerNatta聚合催化剂、分子筛裂解催化剂和汽车尾气净化催化剂等的开发和催化理论的建立过程,揭示了有许多理由可以用来强调催化科学和技术的兴起和发展,并指出一个不可忽略的推动力是化工产品原材料的更迭:天然植物资源煤石油(天然气)天然植物资源。化工原材料的每一次更迭，都会涌现出不少新的催化工艺、新的催化剂和催化理论的发展。这里特别指出了,当前又面临一种新的抉择，即现在将从天然矿产资源(煤、石油、天然气)向绿色天然资源——绿色化工转化，这将又一次地可能给催化工艺的开发带来新的机遇。 催化理论的建立过程更加曲折,现在依然还在求索之中。40多年前,当人们开始用一些现代技术来研究固体催化剂时,人们抱着过分乐观的心态,扬言“多相催化这块荒地、化学工业的基石以及经验主义留下的一个堡垒,终于不得不开始感觉到高技术的强占而让出道路了”。认为通过超高真空技术和单晶的研究,就可以解决催化的理论问题。几十年过去了,虽然获得了相当成功,催化理论获得了显著的进展,例如,确认了Fe(111)晶面是合成氨铁催化剂中最具活性的晶面等。然而,就在最近(1999年),G.Somorjai提醒大家：“别忘了30年前Charles Kemball的警告，单晶方法只是前进中的途径,过于热衷,有可能会把人们自己禁锢在象牙塔的危险中。”他说道:“假如表面科学在催化领域内能够保持它的可信度,那么,现在就是我们离开单晶的舒适世界和转向实际的担载颗粒的时候了。”他相信：“于1998年逝世的Charles Kemball听到这些也会感到高兴的。”尽管如此,建立现代的催化理论,虽非指日可待,但应该还是可以期望的。 通过这一部分的介绍,还可以看到,“催化”已有扎实的化学基础，介绍的每种已工业化的催化工艺,都含有基础化学、有关工程方面的叙述、原料供应和产品说明。 第二部分,各类催化剂的特点和作用原理。新催化剂的开发,归根到底,只是为一个反应寻找出合适的催化剂,以往这种寻找催化剂的工作被视为是一种技艺,无规律可循。现代催化研究已能把催化剂分类,概括出各类催化剂的特点,并逐渐掌握其作用本质。这些规律对开发新催化剂来说,作为基础,在一定程度上可以起到指导作用。本书将所有催化剂,即从最简单的质子酸H+催化剂,到较复杂的复合氧化物催化剂以及最复杂的生物催化剂(酶)，分成：a 均相催化——酸、碱催化和配位催化(第四章);b 生物催化剂及其催化作用(第五章);c 金属(合金)催化剂(第七章);d 金属氧化物催化剂(一)——酸碱型(第八章);e 金属氧化物催化剂(二)——氧化还原型(第九章),从催化化学和从催化原理角度分别概括出了各类催化剂的基本特点和作用本质；另外,由于金属(合金)和金属氧化物都是固体催化剂,同为一类“表面功能化的材料”,因此另立一章(第六章),从固体物理和化学的角度总结了这类催化剂的共性。 除此之外,在这一部分中,还对各类催化剂列举了一些正在开发中的、富有应用前景的催化工艺,以扩大读者的视野。 第三部分,催化剂的表征(第十章)。催化工艺的开发,现在已不局限于研究反应条件(温度、压力等)对催化剂性能的影响,催化剂的表征已成为不可或缺的信息。根据第九届国际催化会议(Calgary,Canada,1988)对报告的统计,在约250篇报告中,不少于78%的研究结果是以催化剂的表征为基础的,其余的22%才主要涉及未经表征的催化剂上的反应。催化剂的表征在应用催化研究中已变得越来越重要。 催化剂的表征方法以往一般都按使用方法分类，本书则按催化剂的测定性质分成如下三类。 ① 织构(textural)性质。即催化剂的宏观性质，包括表面积、密度、孔结构、孔径大小和孔分布。 ② 结构(structural)性质。催化剂的催化性能取决于表面上原子水平上的化学组成和结构,所以不仅要知道有哪些化学元素,而且还要知道这些化学元素在表面上的确切位置和形成什么样的结构才是最具有活性的。在原子水平上进行表征,就需要确定晶体的结构、空间群、晶胞大小、原子坐标和最后原子周围的密度分布等,包括决定主相的化学计量、均一性和氧化态等。显然,这里经常使用的方法有X射线衍射分析(XRD)、电子显微镜(TEM、SEM)、红外光谱(IR)和热分析技术等。 ③ 表面(surface)性质。为了了解表面过程,即在表面上发生的化学(催化作用),知道表面分子的表面化学键的形成和断裂是必要的。这就需要获得表面上原子和分子的信息,即它们在表面上的精确吸附部位和表面化学键的键强、键长和键角以及这些对反应性能的影响等。所有这些只能通过表面光谱学的研究才能获得。表面光谱因催化剂对光子、电子、中子以及离子的吸收、发射以及散射而有多种方法，这里只能择要地介绍有限的几种，例如以光子、电子能量交换为基础的LEED、XPS、UPS、AES、EXAFS和HREELS等，以及以离子能量交换为基础的SIMS和LEIS等。 第四部分,和催化工艺有关的基础。这里着重讨论了两方面的问题。一方面,催化剂的制备和成型(十一章)。从沉淀法、水热合成法、制陶法的一般原理和机理出发,着重介绍了结构单一的催化剂载体(SiO2、Al2O3和碳)和复合氧化物催化剂(沸石、钙钛石、尖晶石等)以及载担型催化剂的制备方法;对载担型催化剂还特别关注了制法与表面化学之间的关系。整个介绍是分子水平的。另一方面，催化剂的工业应用。这里有许多限制,但本质上都是宏观的。本书给出的是催化反应工艺方面的,涉及的也是这种宏观考虑，仅简要介绍了两种模型反应器和工业反应器中的传输和动力学现象。 限于笔者的水平,加上成书的时间又比较匆促,书中有不当之处在所难免，敬请学者、专家及有关读者不吝赐教,予以批评、指正,不胜感激。 本书得以付梓,全仗化学工业出版社的鼓励和帮助,谨志谢忱。

内容概要

本书内容精练，全面、系统地阐述了催化工艺开发过程中所涉及的基础问题。     全书共分4个部分。前三章为通论部分，即从催化的发展历史、现代催化工业和以化学为基础概括出的共识三个层面，总括了催化的现代成就和水平。第四至九章分类阐述了均相(酸、碱催化，配位催化)催化剂、生物(酶)催化剂、金属(合金)催化剂、酸?碱型氧化物催化剂和氧化?还原型氧化物催化剂等各自的特征和作用本质。第十章根据催化剂的织构、结构和表面性质，扼要介绍了测定这些性质的一些有代表性的表征方法。最后，在催化剂的制备(第十一章)和催化反应工艺(第十二章)中，分别探讨了有望优化实际使用中的催化剂性能的途径。     本书可供科研院所、企业、高等院校中从事与催化有关的研究人员参考，也可作为高等院校本科学生、研究生教学之用。

书籍目录

第一章　催化科学和技术的发展简史　第一节　催化概念的产生和形成（1800～1900年）　第二节　与工业有关的重要催化过程的开发　　一、重无机化学工业中的催化过程（1860～1940年）　　二、与石油炼制工业有关的催化过程（1930～1960年）　　三、催化作用的物理化学基础（1860～1940年）　第三节　表面物理的冲击和新实验方法的诞生（1945～1965年）　第四节　经典的多相催化反应机理（1950～1980年）　第五节　表面敏感光谱学及其对催化的冲击（1970～1999年）　第六节　固态化学和多相催化剂的设计（1975～1999年）　第七节　开发中的新催化过程（1975～1999年）　　一、多相催化中的手性反应　　二、环保和能源催化（1950～1999年）　第八节　与催化有关的诺贝尔化学奖　参考文献第二章　工业中的重要催化过程　第一节　重无机化学工业中的催化过程　　一、氨的合成　　二、硝酸的制造　　三、硫酸的生产　第二节　石油炼制中的催化过程　　一、流态化催化裂解（FCC）　　二、催化重整　　三、低碳烷烃的异构　　四、加氢处理过程　第三节　石油化工过程中的催化　　一、同时生产苯乙烯和环氧丙烷（SMPO法）　　二、由丁烷或苯生产顺丁烯二酸酐　　三、丙烯氨氧化制丙烯腈　第四节　合成高分子材料工业　　一、全同（立构）聚丙烯（聚乙烯）　　二、合成纤维尼龙?原料己内酰胺的生产　第五节　以合成气（CO+H）为原料的催化过程　　一、合成甲醇　　二、由甲醇羰基化合成乙酸　　三、低碳烯烃氢甲酰化合成低碳醇　第六节　生物催化技术　　一、亮氨酸的制备　　二、除虫菊的制备　　三、6-氨基青霉烷酸（6-APA）的生产　第七节　环保催化　　一、控制机动车排放尾气的净化催化剂　　二、水质净化中的光催化作用　第八节　与开发新能源有关的催化技术　　一、燃料电池　　二、水光解制氢　第九节　展望：绿色催化　参考文献第三章　催化作用的化学基础　第一节　催化反应和催化剂　　一、催化反应和催化剂的分类　　二、催化剂在化学反应中的作用　第二节　催化剂作用的化学本质　　一、反应分子（底物）的活化　　二、催化剂的失活和再生　　三、化学反应的电子概念　　四、基元化学反应机理　　五、晶体场和配位场理论简介　第三节　催化中的物理化学　　一、催化反应热力学　　二、催化反应动力学　　三、催化剂结构对催化性能的影响　参考文献第四章　均相催化：酸、碱催化及配位催化　第一节　酸、碱催化剂及其作用机理　　一、酸、碱的定义　　二、一般酸、碱催化反应　　三、特殊酸、碱催化反应　　四、一般酸、碱和特殊酸、碱催化反应的区别　　五、酸、碱协同催化反应　　六、Br?nsted法则　　七、Lewis酸、碱催化反应　第二节　配合物催化剂及其作用机理　　一、配合物催化剂　　二、配合物催化剂的作用特点　　三、配位催化中的基元反应　第三节　有代表性的重要均相催化剂　　一、α-烯烃聚合均相配合物催化剂　　二、水溶液金属有机化学：双相催化　参考文献第五章生物催化剂（酶）及其催化作用第六章多相催化剂（固体）：表面功能化的材料第七章金属（合金）催化剂第八章金属氧化物催化剂（一）——酸?碱型第十章催化剂的表征第十一章催化剂的制备编后语

章节摘录

插图：在这方面已经研究过的一个例子是在双液相生物反应器中的短链烯烃的环氧化。烯烃在水中的溶解是不好的，而产物环氧化物对生物催化剂又有毒（在这一情况下，整体细胞又因为需要辅因子再生），在这两种考虑之下，防止细胞因集聚而失活和降低乳化，所以，固定化看来是需要的。通过对溶剂生物相容性的系统研究，终于产生了Lanne等的logP概念。在该基础上，可以预测溶剂的毒性，在这一情况下P为化合物（有机溶剂）在标准辛醇／水混合物中的分配系数，通过“分解常数”法，即可相当方便和精确地计算出P值。在生物催化剂的动力学研究基础上，进一步研究反应器的构型时，必须予以选择标准型的还是新型的。这里可用性、经验、混合程度以及传质等都起着重要的作用。生物反应器的操作模式可以是（供料）间歇式的或者连续的，在作出这个决定时，动力学、生物催化剂的稳定性和形状、所需底物的转化率和产物的浓度以及操作控制都起作用。最后，通过整个决断过程，还要考虑有关反应（如果超过一个反应）的总包过程的层次和过程的各个分步骤。二、生物催化剂的应用领域每一类酶都有各自的最重要的工业应用领域，表5-15列出了当今酶的重要应用领域。1995年国际上工业酶的销售额估计为12亿美元。此前，最重要的商业用提纯酶是水解酶，90％以上的酶产品是由水解酶[如蛋白酶、脂（肪）酶、（半）纤维素酶]生产的。典型的用于大规模生产的有洗涤剂成型、食品和饲料以及纸浆和造纸等工业，其次是异构酶和裂解以及有明显增长的氧化还原酶。现在世界上处于领先地位的有丹麦的NOVONordisk公司，接着是美国的Genencor公司，其它两个重要的公司是荷兰的Gist-Brocades和Quest，主要集中于食品和饲料酶方面。

编辑推荐

《应用催化基础》可供科研院所、企业、高等院校中从事与催化有关的研究人员参考，也可作为高等院校本科学生、研究生教学之用。

用户评论 (总计25条)

•   吴老的这本书把催化当中的一些问题进行了概括和总结，统一了一些催化理论。可以说这本书凝聚了吴老对催化的深刻理解和人生感悟。非常好！
•   下学期开始的研究涉及到催化领域，这本书很适合我这样的初学者，但感觉书还是有点小贵
•   书的页比较软，还没开始读，看了下目录感觉应该不错，先介绍催化的发展史，初学者的话会对催化有个大概了解，然后后面再开始介绍相关的催化知识，挺好的
•   催化同行收藏好书，感谢吴老！
•   不错的一本教材，可以说是催化界的精华
•   书的印刷 封面都不错 正品
  
  内容适合科研人员 非纯粹基础理论
•   说是正版，就是有些地方弄脏了，我比较喜欢很新的书，估计是我本人有点吹毛求疵，质量好，送货也快。
  这本书的内容写得很好，很值得我学习。
•   内容编排还可以，需要的时候可以翻翻。
•   已阅，印刷清新，包装精美，内容翔实
•   书很好，，值得好好看看
•   本子不错，好评
•   很有用的书，是非常经典的书
•   很不错的一本催化方面的书。
•   工作用的，在当当买不用跑书店
•   信息和覆盖面很广，书的质量不错，发货速度也快
•   书不错，发货也快。
•   封面皱褶，有污迹，可能下雨天比较调皮“失”身所致。
•   这本书怎么是个盗版。
•   内容不错，但纸质不怎么好！
•   书的质量挺好的。。。
•   书的质量很好，特别是封面印刷凸凹有致，非常喜欢。
•   没买，在校图书馆借了本，第三章看了十几页，感觉就是找外国文献或书翻译的嘛，语句很多不通顺，就是英语句式。还有一些发语词，完全就是英语的直译，看着太别扭了。别的章节还没看，不清楚。内容还是挺详细的，但是不打算自己买了。老先生虽然辞世了，但是还是不吐不快。国内学术氛围如果都这样的话，真不知道怎么好了。
•   外观完好，右侧裁边非常整齐。就是该书用纸略显旧，颜色不够白净，纸张光泽度也欠佳。不过看着更有一种回到学生时代的感觉。怀旧且神圣。
•   讲述详细，内容翔实，很不错的专业书！
•   还行吧，虽然和期待有点差距。价格有点偏贵。