催化剂 定义：又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。 催化剂（catalyst）会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。催化剂在工业上也称为触媒。 初中书上定义：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用。 我们可在波兹曼分布（Boltzmann distribution）与能量关系图（energy profile diagram）中观察到，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能（activation energy）的路径来进行化学反应。而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。 催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。 均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（一氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。这时，氯气就是一种均相催化剂，它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素。 多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。 酶是生物催化剂。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。 催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应），而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。 仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率，而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时，叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时，叫做多相催化作用。 人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。 使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；食用油脂里加入01%～02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。
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论文开题报告格式及写作方法在研究生教育的整个过程中,学位论文质量的高低是衡量研究生培养质量的重要标志。而论文质量的高低,很大程度上取决于论文开题报告做的细致程度。论文开题报告做的细致,前期虽然花费的时间较多,但写起论文来就很顺手,能够做到胸有成竹,从而保证论文在规定的时间保质保量地完成;但如果不重视论文开题报告,视论文开题报告为走过场,写起论文来就会没有目标,没有方向,没有思路,可能就要多走弯路,也很难保证毕业论文的质量。一、论文开题报告的意义博士论文开题报告是研究生在完成文献调研后写成的关于学位论文选题与如何实施的论述性报告。论文开题报告既是文献调研的聚焦点,又是学位论文研究工作展开的散射点,对研究工作起到定位作用。写论文开题报告的目的,是要请老师及专家们帮忙判断一下所研究的选题有没有价值,研究方法是否奏效,论证逻辑有没有明显缺陷。因此论文开题报告就要围绕研究的主要内容,拟解决的主要问题(或阐述的主要观点),研究步骤、方法及措施为主要内容。但笔者在工作实践中发现有很多学生往往在论文开题报告中花费大量笔墨叙述别人的研究成果,谈到自己的研究方法时,往往寥寥数语一笔带过。这样,不便于评审老师指导。二、如何写论文开题报告(一)论文开题报告的前提——通过理论思维选择课题在工作实践中,发现博士研究生论文开题报告中存在的普遍问题是选题不合适。有的提出的问题太过“平庸”,有的选题范围太大,研究内容太多、太宽泛,提出的问题不切合博士生的实际,实践操作起来难度较大。如有的学生提出的论文题目:“新型中性镍催化剂的研究及其催化合成聚乙烯、聚丙烯的研究”,此选题有意义,有创新,作者的研究思路也比较正确,但论文选题范围太大,研究内容对于一个博士生来说明显偏多,无法按时完成。因此应重新确定研究内容,注重项目的可操作性。那么如何选择研究问题呢?这里要强调的是通过理论思维来发现研究问题。理论是由一系列前设和术语构造的逻辑体系,特定领域的理论有其特定的概念、范畴和研究范式,只有在相同的概念、视角和范式下,理论才能够对话。只有通过对话,理论才能够发展。硕博论文要想创造新理论很难,多数是在既有理论的基础上加以发展。其次,选择问题是一个“剥皮”的过程,理论问题总是深深地隐藏在复杂的现实背后,而发现理论问题,则需要运用理论思维的能力。这就需要我们不断锻炼和提高自己的理论思维能力,需要在日常的学习中,不断总结和分析以往的研究者大体是从哪些视角来分析和研究问题,运用了哪些理论工具和方法,通过学习和总结来不断提高自己的理论思维能力,从而选择具有学术理论价值和应用价值,并与国家经济建设及导师承担的科学研究项目紧密结合的研究问题。(二)做好文献综述,为论文开题报告打好基础在研究生论文开题报告会上,出现的普遍问题是对文献的研读不够,对研究背景的了解不够深入,对研究方向上国内外的具体进展情况了解不够全面、详细,资料引用的针对性、可比性不强。有很多学生没有完全搞清论文开题报告与文献综述的区别,他们的论文开题报告有很多仅仅是对前人工作的叙述,而对自己的工作介绍甚少。文献综述的基本内容包括:国内外现状;研究方向;进展情况;存在问题;参考依据。这是对学术观点和理论方法的整理。同时,文献综述还是评论性的,因此要带着作者本人批判的眼光来归纳和评论文献,而不仅仅是相关领域学术研究的“堆砌”。要想写好论文开题报告,必须认真研读文献,对所研究的课题有个初步的了解,知道别人都做了哪些工作,哪些方面可以作为自己研究的切入点,因此,文献调研的深入和全面程度,会相当程度地影响论文开题报告的质量,是学生充分发挥主观能动性的客观基础。(三)论文开题报告的格式及写作技巧论文开题报告格式一个清晰的选题,往往已经隐含着论文的基本结论。对现有文献的缺点的评论,也基本暗含着改进的方向。论文开题报告就是要把这些暗含的结论、论证结论的逻辑推理,清楚地展现出来。论文开题报告的写作步骤:课题选择—课题综述—论题选择—论文开题报告。论文开题报告的基本内容主要包括:选题的意义;研究的主要内容;拟解决的主要问题(阐述的主要观点);研究(工作)步骤、方法及措施;毕业论文(设计)提纲;主要参考文献。为了写好论文开题报告,江苏工业学院研究生部专门出台了详细的规定,规定论文开题报告的一般内容包括:(1)课题来源、开题依据和背景情况,课题研究目的以及理论意义和实际应用价值。(2)文献综述。在阅读规定文献量(不少于50篇,其中外文文献占40%以上)的基础上,着重阐述该研究课题国内外的研究现状及发展动态,同时介绍查阅文献的范围以及查阅方式、手段。(3)主要研究内容。包括学术构思、研究方法、关键技术、技术路线、实施方案、可行性分析、研究中可能遇到的难点、解决的方法和措施以及预期目标。(4)拟采用的实验手段,所需科研和实验条件,估计课题工作量和所需经费,研究工作进度计划。(5)主要参考文献,列出至少10篇所查阅参考的文献。论文开题报告的写作技巧(1)提出问题注意“层次”选题是撰写学术论文的第一步,选题是否妥当,直接关系到论文的质量,甚至关系到论文的成功与否。不同于政策研究报告,学术文章聚焦理论层面、解决理论问题。有的学生的选题不具有新颖性,内容没有创新,仅仅是对前人工作的总结,或是对前人工作的重复。在选题时要坚持先进性、科学性、实用性及可行性的原则。在提出问题时,要以“内行”看得懂的术语和明确的逻辑来表述。选题来源包括:1、与自己实际工作或科研工作相关的、较为熟悉的问题;2、自己从事的专业某问题发展迅速,需要综合评价;3、从掌握的大量文献中选择反映本学科的新理论、新技术或新动向的题目。所选题目不宜过大,越具体越容易收集资料,从某一个侧面入手,容易深入。(2)瞄准主流文献,随时整理文献资料是撰写好学术论文的基础,文献越多,就越好写,选择文献时应选择本学科的核心期刊、经典著作等,要注意所选文献的代表性、可靠性及科学性;选择文献应先看近期的(近3~5年),后看远期的,广泛阅读资料,有必要时还应找到有关文献所引用的原文阅读,在阅读时,注意做好读书卡片或读书笔记。整理资料时,要注意按照问题来组织文献资料,写文献综述时不是将看过的资料都罗列和陈述出来,而是要按照一定的思路将其提炼出来。只有这样,才能写出好的文献综述,也才能写出好的论文开题报告,进而为写出好的论文打下基础。(3)研究目标具体而不死板一般论文开题报告都要求明确学位论文的研究目标,但笔者认为,研究目标不宜规定得太死板,这是因为,即使条件一定,目标是偏高还是偏低,往往难于准确判断,研究工作本身,涉及求知因素,各个实验室条件不同,具体研究时条件也不同。学位论文选题和研究目标体现了研究工作的价值特征。三、论文开题报告的质量保证为了保证博士研究生的培养质量,提高论文质量,就必须对论文开题报告进行评价。论文开题报告会由3~5位相关学科的专家对论文开题报告进行评议,与企业合作的重大科研项目可以聘请1~2位相应企业的具有高级职称的专家参加,不同学科的论文开题报告的侧重点不同。江苏工业学院研究生部规定学生必须进行论文开题报告,并规定了统一的格式,设计了专门的论文开题报告评审表,论文开题报告会上研究生应对课题进行详细汇报,并对专家提问做出必要的解释和说明。论文开题报告的成绩考核以合格、不合格记。评审小组成员最后签名并给出学生是否合格的评审意见,并以百分制打出具体的分数。论文开题报告成绩不合格者,不得进入课题研究。为了提高论文质量,研究生必须首先从思想上重视论文开题报告,在平时的学习中注意积累,从各个方面提高能力,尤其要注意培养通过理论思维发现研究问题的能力。论文开题报告是研究工作的开始,良好的开端为优秀的学位论文奠定了坚实的基础。
合成甲醇催化剂的研究进展 王 莉 (西南化工研究设计院 四川成都 610225) 摘要:介绍了国内外合成甲醇催化剂的研究情况;从性能参数、测定数据、制备方法等方面阐述了锌铬催化剂、铜基催化剂、合金催化剂等国外新型金属催化剂的研究进展。 关键词:甲醇;合成甲醇催化剂;研究进展 中图分类号:TQ121;TQ426 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2007)03-0055-04 甲醇是除合成氨之外,惟一可由煤经气化而大规模合成的重要化工原料。甲醇可广泛用于医药、农药、染料、合成纤维、合成树脂和合成塑料等工业,并且还是很有发展前景的液体燃料。当今,石油资源日益短缺,石油价格急剧攀升,因此,充分利用我国丰富的煤炭资源发展合成甲醇具有十分重要的意义。合成甲醇催化剂是合成甲醇的关键技术之一,笔者仅从合成甲醇催化剂的性能参数、测定数据、制备方法等方面介绍国内外甲醇催化剂的研究情况和进展。 1 锌铬催化剂 锌铬催化剂是1种高压固体催化剂,由德国BASF公司于1923年首先研制成功。锌铬催化剂活性较低,为获得较高的催化活性和转化率,操作温度在320～420℃之间,操作压力在25～35MPa,因此被称为高压催化剂。 由于锌铬催化剂的耐热性、抗毒性以及机械强度高、使用寿命长、使用范围广、操作控制容易,在1966年以前世界上几乎所有的甲醇合成厂家均采用该催化剂,但该催化剂中Cr2O3的含量高达10%,成为重要的污染源,因而被逐渐淘汰[1]。 2 铜基催化剂 1 CuOZnOAl2O3催化剂 英国ICI公司开发的CuOZnOAl2O3催化剂是比较有代表性的铜基催化剂。ICI公司公布了1种铜基催化剂前体及其催化剂的专利以及这种催化剂前体的制备方法[2]。利用这种方法制得的催化剂原子比为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶3∶7,催化剂在合成甲醇之前在常压下用合成气进行还原,还原气空速为25000h-1,同时缓慢升温至250℃。催化剂的初活性为64(以每克催化剂下合成气出口中甲醇气的体积分数计),而在同等操作条件下,由Cu,Zn,Al3种金属化合物共沉淀制备得到的不含不溶于酸的尖晶石的Cu6Zn3Al1催化剂的活性为55。利用这种方法制得的催化剂目前还在广泛使用。 在此之后,国内外对铜基合成甲醇催化剂的研究十分活跃,国外的ICI-3、ICI-5,国内的C306、XNC-98、NC307等CuOZnOAl2O3合成催化剂相继开发出来。这些催化剂的活性都较锌铬催化剂有所提高,合成甲醇的温度在220～300℃,压力在6～10MPa。目前该类催化剂已广泛使用于工业装置中。各种催化剂性能比较见表1。 CuOZnOAl2O3催化剂对于甲醇的合成,无论是从物理性质,还是从其表面对CO的有效化学吸附能力来分析,均表现良好。这一体系的催化剂比只是简单的将3种物质进行混合时具有更高的催化活性。在研究中,低压合成甲醇的Cu/ZnO基催化剂的活性问题是人们争论的焦点,至今学术界仍然没有统一的说法。 2 CuOZnOCr2O3 催化剂铜锌铬催化剂是在铜锌催化剂的基础上发展起来的,ICI和BASF对铜锌铬催化剂均有研究[3],其中BASF开发w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)=31∶38∶5,ICI开发的w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)为40∶40∶20、24∶38∶38,催化剂的性能比较见表2。 铜锌铬催化剂在低压合成甲醇工艺中具有很好的活性。一般认为Cr2O3的存在可以阻止一小部分CuO还原,从而保护铜催化剂的活性中心。由于Cr2O3对人体有毒害,易对环境造成污染,因此铜锌铬催化剂将被逐步淘汰。 3 CuOZnO(Al2O3)K2O催化剂 低压合成甲醇的CuO/ZnO/Al2O3催化剂经碱金属(如钾)改性后获得的低碳醇催化剂很有工业化前途。在此催化体系上,CO/H2合成产物以甲醇为主,研究中发现钾在催化剂中存在的最佳含量大约在1%。陈宝树等用XPS对混合醇合成用CuOZnOAl2O3K2O催化剂的表面状态及钾的作用进行了考察[4,5],目前尚无该催化剂详细的性能参数。 CuOZnOAl2O3K2O和CuOZnOK2O2类催化剂样品采用Cu,Zn及Al的硝酸盐与Na2CO3水溶液共沉淀母体,两母体组成为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=45∶45∶10和w(Cu)∶w(Zn)=50∶50,母体经去离子水洗涤,过滤至NaNO3消失,之后在333K干燥12h,再在625K空气中焙烧3h后,经压片、粉碎,筛分成20～40目颗粒,然后用不同浓度的K2CO3水溶液等体积浸渍,经干燥煅烧后获得一系列不同钾含量的催化剂样品。铜基催化剂浸钾后,催化剂比表面积下降,还原温度降低。通过改变浸钾量可以在一定程度上调节活性单元的数量和比例,从而提高催化剂的活性。 4 CuOZnOAl2O3V2O3催化剂 西南化工研究设计院开发的C302是比较有代表性的CuOZnOAl2O3V2O3催化剂。该催化剂在220～270℃,4～12MPa,8000～15000h-1空速下表现出很好的活性,与德国GL-104,S79-4和丹麦的MK-10型催化剂相比,甲醇产率都要高,且粗甲醇的有机杂质仅为129%,远低于GL-104,S79-4和丹麦的MK-101。该催化剂的耐热性好,使用寿命在2年以上,广泛用于低压合成甲醇装置。 Lurgi公司研制的GL-104催化剂(CuOZnOAl2O3V2O3),其中w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Al2O3)∶w(V2O3)=59∶32∶4∶5。该催化剂在250℃和5MPa的操作条件下表现出很好的活性。工业化的CuOZnOAL2O3V2O3合成甲醇催化剂性能比较见表3。 V2O3的加入提高了催化剂的耐热性,同时也提高了催化剂的选择性,但该催化剂对硫十分敏感,这是铜基催化剂合成甲醇的弱点。 5 CuOZnOAl2O3Cr2O3 催化剂资料[3]报道了CuOZnOAl2O3Cr2 O3催化剂,这一体系最适宜的化学成分为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶35∶5。对于CuZnOAl2O3系催化剂,如果加入Cr则表现出良好的助催化作用。经分析可知,在CuZnOAl2O3催化剂中仅需加入1%的铬就可以提高催化活性30%左右,可大幅降低含铬催化剂在制备过程中和失效催化剂在处理过程中铬对环境的影响,但尚无催化剂性能测试结果的报道。 6 CuOZrO2催化剂 近年来具有独特性质的ZrO2在催化领域颇受关注,其化学稳定性好,表面同时具有酸性、碱性及氧化性、还原性。CuOZrO2与CuZnOAl2O3类似,对CO/H2合成甲醇具有较高的活性和选择性。据报道[6,7,8],当铜负载量较小时,就单位质量的铜而言,CuOZrO2较之CuZnO3的甲醇产率更高。同时反应温度对催化剂的活性和选择性有较大的影响。ZrO2的功能函数比铜高,相互作用的结果可能导致铜处于类似缺电状态。由于提高了对CO或H2的吸附能力,从而提高了催化剂的活性。超细粒子ZrO2浸铜以后,活性大幅度提高,转换率比纯铜提高10倍。X射线光电子能谱法研究表明:ZrO2成分的增多,可使甲醇产率不断提高。另据数据表明:催化剂的CuO/ZrO2气凝胶表面积在一定程度上与催化剂活性有关。 华东师范大学林明桂等人考察了锰、镧作为助剂对Cu/ZrO2催化剂上CO加氢合成甲醇反应性能的影响[9],并通过BET,XRD,TPR,H2TPD和COTPD等手段对催化剂的结构及吸附—脱附性能进行了研究。结果表明,锰和镧2种助剂均能有效地提高催化剂的活性,同时引入2种助剂可使催化剂的活性进一步提高,表现出较强的协同效应。一方面,锰的加入可使催化剂各组分的相互作用增强,特别是铜锰复合物的形成可有效促进活性组分的分散,防止催化剂的烧结;另一方面,镧助剂的引入进一步增强了铜锆在界面的相互作用,稳定了催化剂的活性中心,有利于吸附物种在两者之间发生溢流。Cu/ZrO2甲醇合成催化剂性能见表4。 7 铜基合成甲醇催化剂改进工艺 中科院广州能源所张喜通等人采用添加表面活性剂两步沉淀法制备了具有高表面铜相对浓度的超细甲醇合成催化剂[10],以组分为φ(H2)∶φ(CO)∶φ(CO2)∶φ(N)=66∶27∶3∶4的原料气对催化剂进行了活性试验。结果表明,该催化剂比传统并流沉淀法制备的铜基催化剂活性提高9%,比两步沉淀法和添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂活性分别提高3%和8%。添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂性能见表5。 中国专利公布了采用喷雾干燥方法制得的铜基合成甲醇催化剂[11]。喷雾干燥的进料温度为300～400℃,出料温度为100～150℃。喷雾干燥为压力式喷雾干燥,压力为8～0MPa。得到的催化剂具有较小的堆密度,较大的比表面积,在活性测试中表现出高的活性。采用喷雾干燥法制得的催化剂性能见表6。 德国Ruhr大学的研究人员采用了共沉淀—化学气相沉积(CVD)相结合的催化剂制备技术,合成了催化活性较高的Cu/ZnO甲醇合成催化剂。研究结果表明,与传统的合成工艺相比,采用CVD法将具有高活性表面的ZnO粒子引至共沉淀法制备的Cu/Al2O3,可以有效地加大CuZnO表面活性,提高合成甲醇催化剂活性。 3 合金催化剂 英国ICI公司在专利中公布了一种甲醇合成催化工艺以及催化工艺中使用的催化剂[12]。这种合金催化剂比公布的铜基催化剂具有更高的甲醇合成催化活性和更低的反应温度。它们的一般通式如下所示(原子比): 其中M为Cu和/或至少1种Pt族金属;T可选为稀土金属:Yt,Ti,Zr,Ha,Th;当M为Cu时,x=y=1;当M为Pt族金属时,y=20x。 催化剂存在1种以上的M或T。另外,除了这些金属之外,还可以包含少量的金属,例如Al、Mn或碱性稀土金属。 合金催化剂制备方法:Ce金属颗粒和Cu金属颗粒混合物在冷却的铜炉中用电子束熔化20min,然后冷却。得到的合金块在氮气保护下成为600～850mn的小颗粒,再与2倍体积的熔融硅片混合,装入1个可持续加热的等温式甲醇合成反应器中加热至150℃,在5MPa的压力下,体积分数为72%的H2和体积分数为28%的CO合成气通过催化剂,空速为40000h-1。在合成气通过时催化剂前体发生了放热反应,温度升至400℃,然后同时稳定合成气的速率及温度(150℃)。出口气体通过GC分析,甲醇含量的体积分数为0%～5%(相当于14～43kg/L·h)。当空速降低至7000h-1,反应温度升至175℃时,甲醇含量体积分数达到1%(相当于41kg/L·h)。出口气体中还含有体积分数低于1%的水和痕量的甲烷。 4 其他非铜基催化剂 近来已经发现承载在载体上的Pd,Pt,Zr及Rh都是活泼的合成甲醇催化剂[3]。尽管这些催化剂的甲醇生成机理还不够清楚,但已认识到这些催化剂对于合成甲醇的良好活性是由于其具有很强的加氧性能,同时伴随有活化非分解吸附CO的能力。研究表明,Pd和Rh催化剂的活性与选择性在很大程度上受载体的组成和催化剂助剂的作用,同时也发现承载在某些类型,如氧化硅或其他碱性载体上的Pd对甲醇合成具有很高的活性与选择性。 例如,质量分数为3%的Pd/SiO2催化剂是由氯化钯水溶液浸渍SiO2制备而成。用KNO3溶液浸渍Pd/SiO2可制得K/Pd原子比分别为6和8的KPd/SiO2催化剂。所有催化剂均在400℃以下流动中还原16h后储存于真空干燥器内,在用于反应前再用氢气在400℃以下将其还原3h。通过分析在Pd/SiO2及KPd/SiO2催化剂上合成产物得出的结论为:在Pd/SiO2催化剂上合成甲醇显现出很高的活性和选择性;在KPd/SiO2催化剂上合成甲醇产率与选择性明显降低。显然钾对Pd/SiO2催化剂的主要作用是抑制其加氧能力,这与Dry,Gonzalez,Campbeu等以前所发现的钾对第Ⅷ族金属催化剂的作用是一致的。应注意的是,在铜基催化剂中加入钾可提高合成甲醇产率,而在Pd/SiO2催化剂中加入钾却导致合成甲醇产率降低。因此,助剂钾在铜基催化剂中的作用与非铜基催化剂中的作用是不同的。这些催化剂均处于研究阶段。
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（1）联系工作实际选题要结合我国行政管理实践（特别是自身工作实际），提倡选择应用性较强的课题，特别鼓励结合当前社会实践亟待解决的实际问题进行研究。建议立足于本地甚至是本单位的工作进行选题。选题时可以考虑选些与自己工作有关的论题，将理论与实践紧密结合起来，使自己的实践工作经验上升为理论，或者以自己通过大学学习所掌握到的理论去分析和解决一些引起实际工作问题。（2）选题适当所谓选题要适当，就是指如何掌握好论题的广度与深度。选题要适当包括有两层意思：一是题目的大小要适当。题目的大小，也就是论题涉及内容的广度。确定题目的大小，要根据自己的写作能力而定。如果题目过大，为了论证好选题，需要组织的内容多，重点不易把握，论述难以深入，加上写作时间有限，最后会因力不胜任，难以完成，导致中途流产或者失败。相反，题目太小了，轻而易举，不费功夫，这样又往往反映不出学员通过几年大学阶段学习所掌握的知识水平，也失去从中锻炼和提高写作能力的机会，同时由于题目较小，难以展开论述，在字数上很难达到规定字数要求。此外，论文题目过小也不利于论文写作，结果为了凑字数，结尾部分东拼西凑，结构十分混乱。二题目的难易程度要适当。题目的难易程度，也就是论题涉及的深度。确定题目的难易，也要根据自己的写作能力而定，量力而为。题目难度过大，学员除了知识结构、时间和精力的限制外，资料搜集方面也有局限。这样，就会带来一些意想不到的困难，致使论文写了一半就写不下去了，中途要求另选题目。所以，在这个问题上的正确态度应该是：既不要脱离实际，好高骛远，去选一些自己不可能写好的论题；又不能贪图轻便，降低要求，去写一些随手可得的论题。（3）选题要新意所谓要有新意，就是要从自己已经掌握的理论知识出发，在研究前人研究成果的基础上，善于发现新问题，敢于提出前人没有提出过的，或者虽已提出来，但尚未得到定论或者未完全解决的问题。只要自己的论文观点正确鲜明，材料真实充分，论证深刻有力，也可能填补我国理论界对某些方面研究的空白，或者对以前有关学说的不足进行补充、深化和修正。这样，也就使论文具有新意，具有独创性。
加我，给你
催化剂 定义：又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。 催化剂（catalyst）会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。催化剂在工业上也称为触媒。 初中书上定义：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用。 我们可在波兹曼分布（Boltzmann distribution）与能量关系图（energy profile diagram）中观察到，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能（activation energy）的路径来进行化学反应。而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。 催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。 均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（一氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。这时，氯气就是一种均相催化剂，它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素。 多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。 酶是生物催化剂。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。 催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应），而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。 仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率，而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时，叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时，叫做多相催化作用。 人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。 使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；食用油脂里加入01%～02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。
合成甲醇催化剂的研究进展 王 莉 (西南化工研究设计院 四川成都 610225) 摘要:介绍了国内外合成甲醇催化剂的研究情况;从性能参数、测定数据、制备方法等方面阐述了锌铬催化剂、铜基催化剂、合金催化剂等国外新型金属催化剂的研究进展。 关键词:甲醇;合成甲醇催化剂;研究进展 中图分类号:TQ121;TQ426 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2007)03-0055-04 甲醇是除合成氨之外,惟一可由煤经气化而大规模合成的重要化工原料。甲醇可广泛用于医药、农药、染料、合成纤维、合成树脂和合成塑料等工业,并且还是很有发展前景的液体燃料。当今,石油资源日益短缺,石油价格急剧攀升,因此,充分利用我国丰富的煤炭资源发展合成甲醇具有十分重要的意义。合成甲醇催化剂是合成甲醇的关键技术之一,笔者仅从合成甲醇催化剂的性能参数、测定数据、制备方法等方面介绍国内外甲醇催化剂的研究情况和进展。 1 锌铬催化剂 锌铬催化剂是1种高压固体催化剂,由德国BASF公司于1923年首先研制成功。锌铬催化剂活性较低,为获得较高的催化活性和转化率,操作温度在320～420℃之间,操作压力在25～35MPa,因此被称为高压催化剂。 由于锌铬催化剂的耐热性、抗毒性以及机械强度高、使用寿命长、使用范围广、操作控制容易,在1966年以前世界上几乎所有的甲醇合成厂家均采用该催化剂,但该催化剂中Cr2O3的含量高达10%,成为重要的污染源,因而被逐渐淘汰[1]。 2 铜基催化剂 1 CuOZnOAl2O3催化剂 英国ICI公司开发的CuOZnOAl2O3催化剂是比较有代表性的铜基催化剂。ICI公司公布了1种铜基催化剂前体及其催化剂的专利以及这种催化剂前体的制备方法[2]。利用这种方法制得的催化剂原子比为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶3∶7,催化剂在合成甲醇之前在常压下用合成气进行还原,还原气空速为25000h-1,同时缓慢升温至250℃。催化剂的初活性为64(以每克催化剂下合成气出口中甲醇气的体积分数计),而在同等操作条件下,由Cu,Zn,Al3种金属化合物共沉淀制备得到的不含不溶于酸的尖晶石的Cu6Zn3Al1催化剂的活性为55。利用这种方法制得的催化剂目前还在广泛使用。 在此之后,国内外对铜基合成甲醇催化剂的研究十分活跃,国外的ICI-3、ICI-5,国内的C306、XNC-98、NC307等CuOZnOAl2O3合成催化剂相继开发出来。这些催化剂的活性都较锌铬催化剂有所提高,合成甲醇的温度在220～300℃,压力在6～10MPa。目前该类催化剂已广泛使用于工业装置中。各种催化剂性能比较见表1。 CuOZnOAl2O3催化剂对于甲醇的合成,无论是从物理性质,还是从其表面对CO的有效化学吸附能力来分析,均表现良好。这一体系的催化剂比只是简单的将3种物质进行混合时具有更高的催化活性。在研究中,低压合成甲醇的Cu/ZnO基催化剂的活性问题是人们争论的焦点,至今学术界仍然没有统一的说法。 2 CuOZnOCr2O3 催化剂铜锌铬催化剂是在铜锌催化剂的基础上发展起来的,ICI和BASF对铜锌铬催化剂均有研究[3],其中BASF开发w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)=31∶38∶5,ICI开发的w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)为40∶40∶20、24∶38∶38,催化剂的性能比较见表2。 铜锌铬催化剂在低压合成甲醇工艺中具有很好的活性。一般认为Cr2O3的存在可以阻止一小部分CuO还原,从而保护铜催化剂的活性中心。由于Cr2O3对人体有毒害,易对环境造成污染,因此铜锌铬催化剂将被逐步淘汰。 3 CuOZnO(Al2O3)K2O催化剂 低压合成甲醇的CuO/ZnO/Al2O3催化剂经碱金属(如钾)改性后获得的低碳醇催化剂很有工业化前途。在此催化体系上,CO/H2合成产物以甲醇为主,研究中发现钾在催化剂中存在的最佳含量大约在1%。陈宝树等用XPS对混合醇合成用CuOZnOAl2O3K2O催化剂的表面状态及钾的作用进行了考察[4,5],目前尚无该催化剂详细的性能参数。 CuOZnOAl2O3K2O和CuOZnOK2O2类催化剂样品采用Cu,Zn及Al的硝酸盐与Na2CO3水溶液共沉淀母体,两母体组成为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=45∶45∶10和w(Cu)∶w(Zn)=50∶50,母体经去离子水洗涤,过滤至NaNO3消失,之后在333K干燥12h,再在625K空气中焙烧3h后,经压片、粉碎,筛分成20～40目颗粒,然后用不同浓度的K2CO3水溶液等体积浸渍,经干燥煅烧后获得一系列不同钾含量的催化剂样品。铜基催化剂浸钾后,催化剂比表面积下降,还原温度降低。通过改变浸钾量可以在一定程度上调节活性单元的数量和比例,从而提高催化剂的活性。 4 CuOZnOAl2O3V2O3催化剂 西南化工研究设计院开发的C302是比较有代表性的CuOZnOAl2O3V2O3催化剂。该催化剂在220～270℃,4～12MPa,8000～15000h-1空速下表现出很好的活性,与德国GL-104,S79-4和丹麦的MK-10型催化剂相比,甲醇产率都要高,且粗甲醇的有机杂质仅为129%,远低于GL-104,S79-4和丹麦的MK-101。该催化剂的耐热性好,使用寿命在2年以上,广泛用于低压合成甲醇装置。 Lurgi公司研制的GL-104催化剂(CuOZnOAl2O3V2O3),其中w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Al2O3)∶w(V2O3)=59∶32∶4∶5。该催化剂在250℃和5MPa的操作条件下表现出很好的活性。工业化的CuOZnOAL2O3V2O3合成甲醇催化剂性能比较见表3。 V2O3的加入提高了催化剂的耐热性,同时也提高了催化剂的选择性,但该催化剂对硫十分敏感,这是铜基催化剂合成甲醇的弱点。 5 CuOZnOAl2O3Cr2O3 催化剂资料[3]报道了CuOZnOAl2O3Cr2 O3催化剂,这一体系最适宜的化学成分为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶35∶5。对于CuZnOAl2O3系催化剂,如果加入Cr则表现出良好的助催化作用。经分析可知,在CuZnOAl2O3催化剂中仅需加入1%的铬就可以提高催化活性30%左右,可大幅降低含铬催化剂在制备过程中和失效催化剂在处理过程中铬对环境的影响,但尚无催化剂性能测试结果的报道。 6 CuOZrO2催化剂 近年来具有独特性质的ZrO2在催化领域颇受关注,其化学稳定性好,表面同时具有酸性、碱性及氧化性、还原性。CuOZrO2与CuZnOAl2O3类似,对CO/H2合成甲醇具有较高的活性和选择性。据报道[6,7,8],当铜负载量较小时,就单位质量的铜而言,CuOZrO2较之CuZnO3的甲醇产率更高。同时反应温度对催化剂的活性和选择性有较大的影响。ZrO2的功能函数比铜高,相互作用的结果可能导致铜处于类似缺电状态。由于提高了对CO或H2的吸附能力,从而提高了催化剂的活性。超细粒子ZrO2浸铜以后,活性大幅度提高,转换率比纯铜提高10倍。X射线光电子能谱法研究表明:ZrO2成分的增多,可使甲醇产率不断提高。另据数据表明:催化剂的CuO/ZrO2气凝胶表面积在一定程度上与催化剂活性有关。 华东师范大学林明桂等人考察了锰、镧作为助剂对Cu/ZrO2催化剂上CO加氢合成甲醇反应性能的影响[9],并通过BET,XRD,TPR,H2TPD和COTPD等手段对催化剂的结构及吸附—脱附性能进行了研究。结果表明,锰和镧2种助剂均能有效地提高催化剂的活性,同时引入2种助剂可使催化剂的活性进一步提高,表现出较强的协同效应。一方面,锰的加入可使催化剂各组分的相互作用增强,特别是铜锰复合物的形成可有效促进活性组分的分散,防止催化剂的烧结;另一方面,镧助剂的引入进一步增强了铜锆在界面的相互作用,稳定了催化剂的活性中心,有利于吸附物种在两者之间发生溢流。Cu/ZrO2甲醇合成催化剂性能见表4。 7 铜基合成甲醇催化剂改进工艺 中科院广州能源所张喜通等人采用添加表面活性剂两步沉淀法制备了具有高表面铜相对浓度的超细甲醇合成催化剂[10],以组分为φ(H2)∶φ(CO)∶φ(CO2)∶φ(N)=66∶27∶3∶4的原料气对催化剂进行了活性试验。结果表明,该催化剂比传统并流沉淀法制备的铜基催化剂活性提高9%,比两步沉淀法和添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂活性分别提高3%和8%。添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂性能见表5。 中国专利公布了采用喷雾干燥方法制得的铜基合成甲醇催化剂[11]。喷雾干燥的进料温度为300～400℃,出料温度为100～150℃。喷雾干燥为压力式喷雾干燥,压力为8～0MPa。得到的催化剂具有较小的堆密度,较大的比表面积,在活性测试中表现出高的活性。采用喷雾干燥法制得的催化剂性能见表6。 德国Ruhr大学的研究人员采用了共沉淀—化学气相沉积(CVD)相结合的催化剂制备技术,合成了催化活性较高的Cu/ZnO甲醇合成催化剂。研究结果表明,与传统的合成工艺相比,采用CVD法将具有高活性表面的ZnO粒子引至共沉淀法制备的Cu/Al2O3,可以有效地加大CuZnO表面活性,提高合成甲醇催化剂活性。 3 合金催化剂 英国ICI公司在专利中公布了一种甲醇合成催化工艺以及催化工艺中使用的催化剂[12]。这种合金催化剂比公布的铜基催化剂具有更高的甲醇合成催化活性和更低的反应温度。它们的一般通式如下所示(原子比): 其中M为Cu和/或至少1种Pt族金属;T可选为稀土金属:Yt,Ti,Zr,Ha,Th;当M为Cu时,x=y=1;当M为Pt族金属时,y=20x。 催化剂存在1种以上的M或T。另外,除了这些金属之外,还可以包含少量的金属,例如Al、Mn或碱性稀土金属。 合金催化剂制备方法:Ce金属颗粒和Cu金属颗粒混合物在冷却的铜炉中用电子束熔化20min,然后冷却。得到的合金块在氮气保护下成为600～850mn的小颗粒,再与2倍体积的熔融硅片混合,装入1个可持续加热的等温式甲醇合成反应器中加热至150℃,在5MPa的压力下,体积分数为72%的H2和体积分数为28%的CO合成气通过催化剂,空速为40000h-1。在合成气通过时催化剂前体发生了放热反应,温度升至400℃,然后同时稳定合成气的速率及温度(150℃)。出口气体通过GC分析,甲醇含量的体积分数为0%～5%(相当于14～43kg/L·h)。当空速降低至7000h-1,反应温度升至175℃时,甲醇含量体积分数达到1%(相当于41kg/L·h)。出口气体中还含有体积分数低于1%的水和痕量的甲烷。 4 其他非铜基催化剂 近来已经发现承载在载体上的Pd,Pt,Zr及Rh都是活泼的合成甲醇催化剂[3]。尽管这些催化剂的甲醇生成机理还不够清楚,但已认识到这些催化剂对于合成甲醇的良好活性是由于其具有很强的加氧性能,同时伴随有活化非分解吸附CO的能力。研究表明,Pd和Rh催化剂的活性与选择性在很大程度上受载体的组成和催化剂助剂的作用,同时也发现承载在某些类型,如氧化硅或其他碱性载体上的Pd对甲醇合成具有很高的活性与选择性。 例如,质量分数为3%的Pd/SiO2催化剂是由氯化钯水溶液浸渍SiO2制备而成。用KNO3溶液浸渍Pd/SiO2可制得K/Pd原子比分别为6和8的KPd/SiO2催化剂。所有催化剂均在400℃以下流动中还原16h后储存于真空干燥器内,在用于反应前再用氢气在400℃以下将其还原3h。通过分析在Pd/SiO2及KPd/SiO2催化剂上合成产物得出的结论为:在Pd/SiO2催化剂上合成甲醇显现出很高的活性和选择性;在KPd/SiO2催化剂上合成甲醇产率与选择性明显降低。显然钾对Pd/SiO2催化剂的主要作用是抑制其加氧能力,这与Dry,Gonzalez,Campbeu等以前所发现的钾对第Ⅷ族金属催化剂的作用是一致的。应注意的是,在铜基催化剂中加入钾可提高合成甲醇产率,而在Pd/SiO2催化剂中加入钾却导致合成甲醇产率降低。因此,助剂钾在铜基催化剂中的作用与非铜基催化剂中的作用是不同的。这些催化剂均处于研究阶段。
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《固体催化剂研究方法》
催化剂 定义：又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。 催化剂（catalyst）会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。催化剂在工业上也称为触媒。 初中书上定义：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。催化剂在化学反应中所起的作用叫催化作用。 我们可在波兹曼分布（Boltzmann distribution）与能量关系图（energy profile diagram）中观察到，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能（activation energy）的路径来进行化学反应。而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。 催化剂有三种类型，它们是：均相催化剂、多相催化剂和生物催化剂。 均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（一氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。这时，氯气就是一种均相催化剂，它把本来很稳定的笑气分解成了组成元素。 多相催化剂和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。 酶是生物催化剂。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。 催化剂分均相催化剂与非均相催化剂。非均相催化剂呈现在不同相（Phase）的反应中（例如：固态催化剂在液态混合反应），而均相催化剂则是呈现在同一相的反应（例如：液态催化剂在液态混合反应）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物（或zh-ch:底物;zh-tw:受质）吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。目前已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。 仅仅由于本身的存在就能加快或减慢化学反应速率，而本身的组成和质量并不改变的物质就叫催化剂。催化剂跟反应物同处于均匀的气相或液相时，叫做单相催化作用；催化剂跟反应物属不同相时，叫做多相催化作用。 人们利用催化剂，可以提高化学反应的速度，这被称为催化反应。大多数催化剂都只能加速某一种化学反应，或者某一类化学反应，而不能被用来加速所有的化学反应。催化剂并不会在化学反应中被消耗掉。不管是反应前还是反应后，它们都能够从反应物中被分离出来。不过，它们有可能会在反应的某一个阶段中被消耗，然后在整个反应结束之前又重新产生。 使化学反应加快的催化剂，叫做正催化剂；使化学反应减慢的催化剂，叫做负催化剂。例如，酯和多糖的水解，常用无机酸作正催化剂；二氧化硫氧化为三氧化硫，常用五氧化二钒作正催化剂，这种催化剂是固体，反应物为气体，形成多相的催化作用，因此，五氧化二钒也叫做触媒或接触剂；食用油脂里加入01%～02%没食子酸正丙酯，就可以有效地防止酸败，在这里，没食子酸正丙酯是一种负催化剂(也叫做缓化剂或抑制剂)。
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合成甲醇催化剂的研究进展 王 莉 (西南化工研究设计院 四川成都 610225) 摘要:介绍了国内外合成甲醇催化剂的研究情况;从性能参数、测定数据、制备方法等方面阐述了锌铬催化剂、铜基催化剂、合金催化剂等国外新型金属催化剂的研究进展。 关键词:甲醇;合成甲醇催化剂;研究进展 中图分类号:TQ121;TQ426 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2007)03-0055-04 甲醇是除合成氨之外,惟一可由煤经气化而大规模合成的重要化工原料。甲醇可广泛用于医药、农药、染料、合成纤维、合成树脂和合成塑料等工业,并且还是很有发展前景的液体燃料。当今,石油资源日益短缺,石油价格急剧攀升,因此,充分利用我国丰富的煤炭资源发展合成甲醇具有十分重要的意义。合成甲醇催化剂是合成甲醇的关键技术之一,笔者仅从合成甲醇催化剂的性能参数、测定数据、制备方法等方面介绍国内外甲醇催化剂的研究情况和进展。 1 锌铬催化剂 锌铬催化剂是1种高压固体催化剂,由德国BASF公司于1923年首先研制成功。锌铬催化剂活性较低,为获得较高的催化活性和转化率,操作温度在320～420℃之间,操作压力在25～35MPa,因此被称为高压催化剂。 由于锌铬催化剂的耐热性、抗毒性以及机械强度高、使用寿命长、使用范围广、操作控制容易,在1966年以前世界上几乎所有的甲醇合成厂家均采用该催化剂,但该催化剂中Cr2O3的含量高达10%,成为重要的污染源,因而被逐渐淘汰[1]。 2 铜基催化剂 1 CuOZnOAl2O3催化剂 英国ICI公司开发的CuOZnOAl2O3催化剂是比较有代表性的铜基催化剂。ICI公司公布了1种铜基催化剂前体及其催化剂的专利以及这种催化剂前体的制备方法[2]。利用这种方法制得的催化剂原子比为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶3∶7,催化剂在合成甲醇之前在常压下用合成气进行还原,还原气空速为25000h-1,同时缓慢升温至250℃。催化剂的初活性为64(以每克催化剂下合成气出口中甲醇气的体积分数计),而在同等操作条件下,由Cu,Zn,Al3种金属化合物共沉淀制备得到的不含不溶于酸的尖晶石的Cu6Zn3Al1催化剂的活性为55。利用这种方法制得的催化剂目前还在广泛使用。 在此之后,国内外对铜基合成甲醇催化剂的研究十分活跃,国外的ICI-3、ICI-5,国内的C306、XNC-98、NC307等CuOZnOAl2O3合成催化剂相继开发出来。这些催化剂的活性都较锌铬催化剂有所提高,合成甲醇的温度在220～300℃,压力在6～10MPa。目前该类催化剂已广泛使用于工业装置中。各种催化剂性能比较见表1。 CuOZnOAl2O3催化剂对于甲醇的合成,无论是从物理性质,还是从其表面对CO的有效化学吸附能力来分析,均表现良好。这一体系的催化剂比只是简单的将3种物质进行混合时具有更高的催化活性。在研究中,低压合成甲醇的Cu/ZnO基催化剂的活性问题是人们争论的焦点,至今学术界仍然没有统一的说法。 2 CuOZnOCr2O3 催化剂铜锌铬催化剂是在铜锌催化剂的基础上发展起来的,ICI和BASF对铜锌铬催化剂均有研究[3],其中BASF开发w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)=31∶38∶5,ICI开发的w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Cr2O3)为40∶40∶20、24∶38∶38,催化剂的性能比较见表2。 铜锌铬催化剂在低压合成甲醇工艺中具有很好的活性。一般认为Cr2O3的存在可以阻止一小部分CuO还原,从而保护铜催化剂的活性中心。由于Cr2O3对人体有毒害,易对环境造成污染,因此铜锌铬催化剂将被逐步淘汰。 3 CuOZnO(Al2O3)K2O催化剂 低压合成甲醇的CuO/ZnO/Al2O3催化剂经碱金属(如钾)改性后获得的低碳醇催化剂很有工业化前途。在此催化体系上,CO/H2合成产物以甲醇为主,研究中发现钾在催化剂中存在的最佳含量大约在1%。陈宝树等用XPS对混合醇合成用CuOZnOAl2O3K2O催化剂的表面状态及钾的作用进行了考察[4,5],目前尚无该催化剂详细的性能参数。 CuOZnOAl2O3K2O和CuOZnOK2O2类催化剂样品采用Cu,Zn及Al的硝酸盐与Na2CO3水溶液共沉淀母体,两母体组成为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=45∶45∶10和w(Cu)∶w(Zn)=50∶50,母体经去离子水洗涤,过滤至NaNO3消失,之后在333K干燥12h,再在625K空气中焙烧3h后,经压片、粉碎,筛分成20～40目颗粒,然后用不同浓度的K2CO3水溶液等体积浸渍,经干燥煅烧后获得一系列不同钾含量的催化剂样品。铜基催化剂浸钾后,催化剂比表面积下降,还原温度降低。通过改变浸钾量可以在一定程度上调节活性单元的数量和比例,从而提高催化剂的活性。 4 CuOZnOAl2O3V2O3催化剂 西南化工研究设计院开发的C302是比较有代表性的CuOZnOAl2O3V2O3催化剂。该催化剂在220～270℃,4～12MPa,8000～15000h-1空速下表现出很好的活性,与德国GL-104,S79-4和丹麦的MK-10型催化剂相比,甲醇产率都要高,且粗甲醇的有机杂质仅为129%,远低于GL-104,S79-4和丹麦的MK-101。该催化剂的耐热性好,使用寿命在2年以上,广泛用于低压合成甲醇装置。 Lurgi公司研制的GL-104催化剂(CuOZnOAl2O3V2O3),其中w(CuO)∶w(ZnO)∶w(Al2O3)∶w(V2O3)=59∶32∶4∶5。该催化剂在250℃和5MPa的操作条件下表现出很好的活性。工业化的CuOZnOAL2O3V2O3合成甲醇催化剂性能比较见表3。 V2O3的加入提高了催化剂的耐热性,同时也提高了催化剂的选择性,但该催化剂对硫十分敏感,这是铜基催化剂合成甲醇的弱点。 5 CuOZnOAl2O3Cr2O3 催化剂资料[3]报道了CuOZnOAl2O3Cr2 O3催化剂,这一体系最适宜的化学成分为w(Cu)∶w(Zn)∶w(Al)=60∶35∶5。对于CuZnOAl2O3系催化剂,如果加入Cr则表现出良好的助催化作用。经分析可知,在CuZnOAl2O3催化剂中仅需加入1%的铬就可以提高催化活性30%左右,可大幅降低含铬催化剂在制备过程中和失效催化剂在处理过程中铬对环境的影响,但尚无催化剂性能测试结果的报道。 6 CuOZrO2催化剂 近年来具有独特性质的ZrO2在催化领域颇受关注,其化学稳定性好,表面同时具有酸性、碱性及氧化性、还原性。CuOZrO2与CuZnOAl2O3类似,对CO/H2合成甲醇具有较高的活性和选择性。据报道[6,7,8],当铜负载量较小时,就单位质量的铜而言,CuOZrO2较之CuZnO3的甲醇产率更高。同时反应温度对催化剂的活性和选择性有较大的影响。ZrO2的功能函数比铜高,相互作用的结果可能导致铜处于类似缺电状态。由于提高了对CO或H2的吸附能力,从而提高了催化剂的活性。超细粒子ZrO2浸铜以后,活性大幅度提高,转换率比纯铜提高10倍。X射线光电子能谱法研究表明:ZrO2成分的增多,可使甲醇产率不断提高。另据数据表明:催化剂的CuO/ZrO2气凝胶表面积在一定程度上与催化剂活性有关。 华东师范大学林明桂等人考察了锰、镧作为助剂对Cu/ZrO2催化剂上CO加氢合成甲醇反应性能的影响[9],并通过BET,XRD,TPR,H2TPD和COTPD等手段对催化剂的结构及吸附—脱附性能进行了研究。结果表明,锰和镧2种助剂均能有效地提高催化剂的活性,同时引入2种助剂可使催化剂的活性进一步提高,表现出较强的协同效应。一方面,锰的加入可使催化剂各组分的相互作用增强,特别是铜锰复合物的形成可有效促进活性组分的分散,防止催化剂的烧结;另一方面,镧助剂的引入进一步增强了铜锆在界面的相互作用,稳定了催化剂的活性中心,有利于吸附物种在两者之间发生溢流。Cu/ZrO2甲醇合成催化剂性能见表4。 7 铜基合成甲醇催化剂改进工艺 中科院广州能源所张喜通等人采用添加表面活性剂两步沉淀法制备了具有高表面铜相对浓度的超细甲醇合成催化剂[10],以组分为φ(H2)∶φ(CO)∶φ(CO2)∶φ(N)=66∶27∶3∶4的原料气对催化剂进行了活性试验。结果表明,该催化剂比传统并流沉淀法制备的铜基催化剂活性提高9%,比两步沉淀法和添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂活性分别提高3%和8%。添加表面活性剂并流沉淀法制备的铜基催化剂性能见表5。 中国专利公布了采用喷雾干燥方法制得的铜基合成甲醇催化剂[11]。喷雾干燥的进料温度为300～400℃,出料温度为100～150℃。喷雾干燥为压力式喷雾干燥,压力为8～0MPa。得到的催化剂具有较小的堆密度,较大的比表面积,在活性测试中表现出高的活性。采用喷雾干燥法制得的催化剂性能见表6。 德国Ruhr大学的研究人员采用了共沉淀—化学气相沉积(CVD)相结合的催化剂制备技术,合成了催化活性较高的Cu/ZnO甲醇合成催化剂。研究结果表明,与传统的合成工艺相比,采用CVD法将具有高活性表面的ZnO粒子引至共沉淀法制备的Cu/Al2O3,可以有效地加大CuZnO表面活性,提高合成甲醇催化剂活性。 3 合金催化剂 英国ICI公司在专利中公布了一种甲醇合成催化工艺以及催化工艺中使用的催化剂[12]。这种合金催化剂比公布的铜基催化剂具有更高的甲醇合成催化活性和更低的反应温度。它们的一般通式如下所示(原子比): 其中M为Cu和/或至少1种Pt族金属;T可选为稀土金属:Yt,Ti,Zr,Ha,Th;当M为Cu时,x=y=1;当M为Pt族金属时,y=20x。 催化剂存在1种以上的M或T。另外,除了这些金属之外,还可以包含少量的金属,例如Al、Mn或碱性稀土金属。 合金催化剂制备方法:Ce金属颗粒和Cu金属颗粒混合物在冷却的铜炉中用电子束熔化20min,然后冷却。得到的合金块在氮气保护下成为600～850mn的小颗粒,再与2倍体积的熔融硅片混合,装入1个可持续加热的等温式甲醇合成反应器中加热至150℃,在5MPa的压力下,体积分数为72%的H2和体积分数为28%的CO合成气通过催化剂,空速为40000h-1。在合成气通过时催化剂前体发生了放热反应,温度升至400℃,然后同时稳定合成气的速率及温度(150℃)。出口气体通过GC分析,甲醇含量的体积分数为0%～5%(相当于14～43kg/L·h)。当空速降低至7000h-1,反应温度升至175℃时,甲醇含量体积分数达到1%(相当于41kg/L·h)。出口气体中还含有体积分数低于1%的水和痕量的甲烷。 4 其他非铜基催化剂 近来已经发现承载在载体上的Pd,Pt,Zr及Rh都是活泼的合成甲醇催化剂[3]。尽管这些催化剂的甲醇生成机理还不够清楚,但已认识到这些催化剂对于合成甲醇的良好活性是由于其具有很强的加氧性能,同时伴随有活化非分解吸附CO的能力。研究表明,Pd和Rh催化剂的活性与选择性在很大程度上受载体的组成和催化剂助剂的作用,同时也发现承载在某些类型,如氧化硅或其他碱性载体上的Pd对甲醇合成具有很高的活性与选择性。 例如,质量分数为3%的Pd/SiO2催化剂是由氯化钯水溶液浸渍SiO2制备而成。用KNO3溶液浸渍Pd/SiO2可制得K/Pd原子比分别为6和8的KPd/SiO2催化剂。所有催化剂均在400℃以下流动中还原16h后储存于真空干燥器内,在用于反应前再用氢气在400℃以下将其还原3h。通过分析在Pd/SiO2及KPd/SiO2催化剂上合成产物得出的结论为:在Pd/SiO2催化剂上合成甲醇显现出很高的活性和选择性;在KPd/SiO2催化剂上合成甲醇产率与选择性明显降低。显然钾对Pd/SiO2催化剂的主要作用是抑制其加氧能力,这与Dry,Gonzalez,Campbeu等以前所发现的钾对第Ⅷ族金属催化剂的作用是一致的。应注意的是,在铜基催化剂中加入钾可提高合成甲醇产率,而在Pd/SiO2催化剂中加入钾却导致合成甲醇产率降低。因此,助剂钾在铜基催化剂中的作用与非铜基催化剂中的作用是不同的。这些催化剂均处于研究阶段。
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