工业催化原理 Catalysis in industrial processes

1. 工业催化原理Catalysis in industrial processes 厦门大学化学化工学院化工系

2. 过渡金属半导体氧化物催化剂 • 金属氧化物中缺陷和半导体性质 • 满带：凡是能被子电子完全充满的能带叫满带。 • 导带：凡是能带没有完全被电子充满的。 • 空带：根本没有填充电子的能带。 • 禁带：在导带（空带）和满带之间没有能级不能填充电子这个区间叫禁带。半导体的禁带宽度一般在0.2-3eV。

5. 本征半导体、n型半导体、P型半导体 • N型半导体和p型半导体的形成 • 当金属氧化物是非化学计量，或引入杂质离子或原子可产生n型、p型半导体。 • 杂质是以原子、离子或集团分布在金属氧化物晶体中，存在于晶格表面或晶格交界处。这些杂质可引起半导体禁带中出现杂质能级。 • 如果能级出现在靠近半导体导带下部称为施主能级。施主能的电子容易激发到导带中产生自由电子导电。这种半导体称为n型半导体。 • 如果出现的杂质能级靠近满带上部称为受主能级。在受主能级上有空穴存在。很容易接受满带中的跃迁的电子使满带产生正电空穴关进行空穴导电，这种半导体称为p型半导体。

6. 半导体费米能级与逸出功的关系

7. n型半导体与p型半导体的生成 • n型半导体生成条件 • A）非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成n型半导体。 • B）氧缺位 • C）高价离子取代晶格中的正离子 • D）引入电负性小的原子。 • P型半导体生成条件 A）非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。 B）用低价正电离子取代晶格中正离子。 C）向晶格掺入电负性在的间隙原子。

8. 半导体导电性影响因素 • 温度升高，提高施主能级位置，增加施主杂质浓度可提高n型半导体的导电性。 • 温度升高，降低受主能级位置或增加受主杂质浓度都可以提高p型半导体的导电能力。 • 催化剂制备上措施：晶体缺陷，掺杂，通过杂质能级来改善催化性能。

9. 杂质对半导体催化剂的影响 • 1、对n型半导体 A）加入施主型杂质，EF↗Φ↘导电率↗ B）加入受主杂质， EF ↘Φ ↗导电率↘ • 2、对p型半导体 A）加入施主型杂质EF↗Φ↘导电率↘ B）加入受主型杂质EF ↘Φ ↗导电率↗

10. 半导体催化剂化学吸附与催化作用 1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附 O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果是氧在表面吸附是有限的。

11. （2）p型半导体上吸附 O2相当于受主杂质，可接受满带的电子增加满带空穴量，随氧压的增加导电率增大，由于满带中有大量电子，因此吸附可一直进行，表面吸附氧浓度较高。 B)对于施电子气体吸附（以H2为例） • 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主作用。

12. 吸附气体 半导体类型 吸附物种 吸附剂 吸附位 EF φ 导电率 受电子气体（O2） N型V2O5） O2→O2- O-,O22-,O2- V4+ →V5+ 负离子吸附在高价金属上 ↘ ↗ ↘ P型 Cu2O O2→O2- O-,O22-,O2- Cu+→ Cu2+ 负离子吸附在高价金属上 ↘ ↗ ↗ 施电子气体（H2） N型 ZnO 1/2H2→H+ Zn2+→Zn+ 正离子气体吸附在低价金属离子上 ↗ ↘ ↗ P型 NiO 1/2H2→H+ Ni3+→ Ni2+ 正离子气体吸附在低价金属离子上 ↗ ↘ ↘

13. P型半导体和它的EF能级 • 当过渡技术 形成低价氧化物如NiO，Cu2O，CoO等，常形成金属阳离子缺位的非计量化合物。如NiO其中Ni2+缺位，以各缺位相当于两个单位的正电荷“2+”，由于晶体保持电中性，必然引起缺位附近两个Ni2+离子价态的变化，即2Ni2++“2+”→2Ni3+，这里Ni3+=Ni2+，Ni2+可以接受电子称为受主原子，当温度升高时空穴可以成为自由空穴。 • 在外电场作用下，满带电子可以定向地向受主能级跃进迁，这种主要靠准自由空穴导电的半导体称之主P型半导体。P半导体的EF能级应处于满带项处EV和受主能级EA之间的中间位置。

14. P型半导体能带 （EA为受主能级）

15. EF能级在过渡金属和半导体中的区别 • 对于过渡金属而言 • 电子的EF能级处在导带之内，反映金属地带量子态的填充水平。但对于的半导体情况的EF位置会发生变化。一般都处于禁带。反映地不是电子的一格允许能级但同样代表着半导体中电子表的平均能量，物力意义是一致的电子在该能级出现的几率为 • F(Ej)=1/2

16. N型半导体掺杂 掺杂的两种方式 • 施主型掺杂 • 提高供电子的物质浓度。如ZnO中加入Al3+由于费米能级升高而使逸出功降低。导电率升高。 • 受主型掺杂 • 它减少了可提供电子的物质浓度。如在ZnO中添加Li+会使Zn+浓度下降，造成ZnO逸出功升高和导电率降低。

17. p型半导体掺杂 掺杂的两种方式 • 施主型掺杂 • 准自由空穴浓度的降低。这是导致EF能级的升高，使得逸出功变小和导电率下降。 • 受主型掺杂（情况类似）

18. 如何判断参杂杂质类型 掺杂杂质类型可以从杂质对半导体的逸出功和导电率影响来判断。 • 1、用逸出功来判断 • 如果引入某种杂质后，半导体的逸出功变小，那么这种杂质是施主型的，相反则为受主型杂质。 • 2、用导电率来判断 • 对于n型，凡是使导电率增加的物质为施主型杂质，相反则为受主型杂质。 • 对于P型，凡是使导电率下降的物质为施主型杂质，相反则为受主型杂质。

19. n型半导体生成条件 • A)非化学计量比化合物中含有过量的金属原子或低价离子可生成N型半导体。 • B)氧缺位。 • C)高价离子取代晶格中的正离子。 • D)引入电负性小的原子。 P型半导体生成条件 • A)非化学计量比氧化物中出现正离子缺位。 • B)用低价正电粒子取代晶格中的正离子。 • C)向晶格掺入电负性大的间隙原子。

21. 半导体氧化物催化机理

22. 举例：CO在NiO上氧化反应 • CO+1/2O2=CO2△H=272KJ/mol （1）O2在NiO上发生吸附时，电导率由10-11欧姆-1厘米-1上升为10-7欧姆-1厘米-1 。 （2）测得O2转为O-吸时量热法测得微分吸附热为41.8kJ/mol， （3）测得CO在NiO上微分吸附热是33.5KJ/mol，而在已经吸附了O2的催化剂表面微分吸附热是293KJ/mol。 这表明CO与NiO吸附不是一般的化学吸附而是化学反应。

23. CO在NiO上催化氧化反应机理 （1）Ni 2+ +1/2O2→+Ni 3+ O -吸 （2）O -吸+Ni 3++CO（g）→CO2（吸）+Ni 2+ （3）CO2（吸） →CO2（g） 总式：CO+1/2O2 →CO2

24. 烃类在半导体型催化剂上的脱氢过程

25. 过渡金属氧化物催化特点 • 半导体对催化性能的影响 • N型有利于加氢还原，P型有利于氧化。 • 费米能级的高低可以调节催化剂的选择性，如丙烯氧化制丙烯醛时，通过引入Cl-来改变催化剂的选择性。 • 与电子构型的关系d0、d10金属离子吸附时，d0无电子反馈，d10吸附较弱。表面物种较为活泼，不会发生深度氧化。

26. 金属催化剂与氧化物催化剂催化特点 • 部分氧化对于C-C键断裂的催化过程，反应的关键是氧的活化，表面物种为亲电子的O2-和O-对于无C-C断裂的主要采用O2-晶格氧。 • 金属氧化物与金属催化剂的区别是氧化物可以催化氧化还原反应，主要是氧化反应其次是脱氢、氧化脱氢及加氢。氧化物只要有可变的价态都有一定的催化作用，而不象金属催化剂受周期表位置的限制。但催化活性比金属要差。抗中毒方面相对金属而言要好一些，同时熔点高耐热性强。

27. 半导体催化剂的掺杂改性 • 2CO+O2=2CO2为例 • CO氧化CO2用P型如NiO掺入Li+起受主作用，增加空穴，降低了反应的活化能。如加入Cr3+（施主）使Ni空穴数减少增加了反应的活化能。 • 如果在催化剂上CO吸附变成正离子是控制步骤，CO起表面施主的作用CO把电子给了P型半导体NiO减少空穴不利于接受CO电子如果加入Li+会增加空穴数使导电率长高，用利于表面吸附这一控制步骤的进行。

28. CO氧化用N型半导体ZnO加入Li，CO氧化活化能增加，加入Al3+活化能减小。CO氧化用N型半导体ZnO加入Li，CO氧化活化能增加，加入Al3+活化能减小。 • 如果CO在n型半导体ZnO上氧化O2吸附是控制步骤，则ZnO电子增多有利于O2的吸附，ZnO掺入Li+（受主）使n型导电率下降，掺入施主给电子有利于O2变成负离子，降低CO氧化活化能。

29. 金属氧化物催化剂氧化还原机理（选择性氧化（部分氧化））金属氧化物催化剂氧化还原机理（选择性氧化（部分氧化））

30. 表面氧种 • Oad-O2—O-—O2- • O-形成在第一类过渡金属氧化物（p型）上，这类氧化物具有较多的能提电子的中心，也即阳离子易发生价态变化的。 • O2-形成在第二类过渡金属氧化物（N型）上，这类氧化物具有较少的电子给体中心。 • O2-形成在不易吸附氧的具有盐特征的氧化物上，氧与最高氧化态的金属离子形成确定结构。氧容易交换。 • O2-和O-易发生完全氧化，而O2-易发生选择氧化。 • 形成了O2- 、O-亲电反应物，攻击电子密度最高处的另了一个反应物。而O2-是亲核试剂是通过亲核插入到反应物中缺电处的。

31. 晶体配位场理论 • 要点 • 中心离子与其周围配位体（氧离子）的相互作用而使中心离子的d轨道能级在配位体电场的作用下会分裂为几个能量不同的部分。 • 对于在八面体场作用下而使原来由能量相同的简并轨道构成的d轨道变成能量不同的两级轨道，即：eg组：dz2，dx2-y2；t2g组：dxy，dxz，dyz

32. 八面体场

33. △为分离能

34. 对于不同的配位体场下d能级分裂

35. 成对能与分离能关系 • 成对能：当轨道上已经被一个电所占据，若要将第二个电子进入此轨道并与之配对时第二个电子与原有电子之间存在着一定的排斥作用克服这种排斥作用所需要的能量称之为电子成对能。用P表示。成对能P与分离能△之间存在以下关系。 • （1），电子力图占据最稳定轨道，（2）电子力图平行分占不同轨道（Hund）规则。（1）种情况取决于晶体场，（2）种情况与相互作用有关。若p低于△则形成低自旋，反之形成高自旋。对于d1，d2，d3，d9和d10这种影响是一致的，只有一种稳定的分布。而对于d4，d5，d6，d7 △>p则电子应尽可能量相对较低的轨道，出现强场低自旋排布，而△<p则电子应尽可能分占不同的d轨道并保持自旋平行，出现弱场高自旋的电子排布。

37. 晶体场稳定化能（CFSE） • 晶体场稳定化能（CFSE） • d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。 • 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为稳定化能（CFSE） • CFSE对催化作用的影响 • 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形成七配位的中间过渡态构型。

38. 按配位场理论进行的过渡金属氧化物催化过程 • 如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。 • 这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100）表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。

39. 岩盐氧化物d电子定域能级图

40. 氧化还原型过渡金属氧化物的配位现象

41. 过渡金属氧化物稳定化能

42. （1）异丙苯液相多相氧化 （2）乙苯液相氧化

43. 稳定化能（活化能）对催化的影响 由正八面体→正方锥体SN-1的△E值见上表，吸附对弱场中电子构型为d3，d8有利。对强场中构型d3，d5，d8有利相反反应物脱附则对。

44. 吸附NiO表面配位数发生变化 A）正方锥→正八面体，B）正四面体→ 正方锥→ 正八面体，C）平面三角→正方锥→正八面体

45. 烯烃的吸附可以看作有π参与的配位 Co3O4上烯烃的相对吸附平衡常数和电离势的关系（吸附为非离解型）

46. 二元氧化物与活性的关系 V：物理混合物及微晶混合物的活性只是组成氧化物的加合；一旦形成固熔体或复合氧化物则会出现各种各样的作用而影响催化剂的催化性能

47. 复合氧化物还原的自由能 氧化物不管以何种方式混合后催化活性出现变化同热力学性质是相关的。形成了混合氧化物或复合氧化物后，从热学角度，如果将氧化物还原，还需加上混合自由能。因此大部分复合氧化物相比较都是难还原的。

48. Thank You !