多相催化微观动力学

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出版时间:1900-1
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isbn号码:9787118018202
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  • 催化
  • 微观动力学
  • 多相催化
  • 表面化学
  • 反应机理
  • 吸附
  • 催化剂
  • 异相催化
  • 化学动力学
  • 计算化学
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具体描述

《多相催化微观动力学:从原子尺度到宏观催化》 本书旨在深入探讨多相催化过程中最核心的科学问题——微观动力学。我们将从原子和分子的尺度出发,揭示催化剂表面活性位点上发生的每一个关键步骤,包括反应物的吸附、表面扩散、化学键的形成与断裂,直至产物的解吸,并详细阐述这些微观过程如何协同作用,最终决定宏观催化性能。 核心内容概述: 反应物吸附与表面键合: 本章将聚焦于不同反应物分子与催化剂表面活性位点之间的相互作用。我们将深入分析Langmuir、Temkin、Eley-Rideal等经典吸附模型,并结合现代计算化学方法(如密度泛函理论DFT)来预测和理解吸附能、吸附构型以及表面覆盖度。重点将探讨金属、氧化物、硫化物等不同类型催化剂表面对不同反应物的选择性吸附机制,以及表面缺陷、晶面取向等因素对吸附行为的影响。例如,我们会详细分析CO在Pd(111)表面上的吸附模式及其能量学,以及O2在TiO2(111)表面上的吸附和离解路径。 表面反应路径与能垒分析: 这是微观动力学研究的重中之重。我们将系统介绍如何通过理论计算解析复杂的表面反应网络,识别主反应路径和副反应路径,并精确计算每一步基元反应的活化能垒。我们将深入探讨过渡态理论(TST)及其改进方法(如多维隧道效应),以及微势能面(MEP)的概念,以描绘反应物如何克服能垒转化为产物。例如,对于氨氧化催化,我们会详细解析NH3在Pt表面上N-H键断裂、N物种的扩散以及后续与O物种结合形成N2O或N2的详细步骤,并分析其中限速步骤的能垒大小。 表面扩散与物种迁移: 催化反应的效率不仅取决于表面反应速率,还与反应物和中间产物在催化剂表面的扩散能力密切相关。本章将详细介绍表面扩散的机制,包括空位机制、填隙机制和协同机制,并探讨温度、表面覆盖度以及催化剂表面形貌(如纳米粒子、纳米线)对扩散系数的影响。我们还将讨论中间产物在催化剂表面上的迁移行为,以及这种迁移如何影响产物选择性。例如,我们会分析CO在Au纳米粒子表面上的横向扩散,以及其与吸附的O原子碰撞生成CO2的速率。 产物解吸与催化循环: 催化剂的活性需要经过一个完整的催化循环,即反应物吸附、反应、产物解吸。本章将关注产物分子如何从催化剂表面解吸,以及解吸过程的动力学。我们将探讨解吸能、温度和压力等因素对产物解吸速率的影响。理解产物解吸速率对于避免产物对催化剂位点的毒化至关重要。例如,在甲醇氧化制甲醛的反应中,甲醛的解吸速率直接影响着催化剂的稳定性和活性。 动力学模型构建与模拟: 基于对微观动力学的深刻理解,我们将介绍如何构建各种动力学模型,包括基于微观基元反应的速率方程(Rate Equations)和基于蒙特卡罗(Monte Carlo)或分子动力学(MD)的模拟方法。我们将展示如何利用这些模型来预测宏观催化反应速率、温度依赖性、气体组成依赖性等,并将理论预测与实验结果进行对比验证。例如,我们会利用密度泛函理论计算得到的基元反应速率常数,构建CO氧化反应的微观动力学模型,并预测在不同温度下的CO转化率。 先进表征技术与理论计算的结合: 本书强调理论计算与实验的协同作用。我们将概述一系列先进的表征技术,如原位X射线光电子能谱(XPS)、同步辐射X射线衍射(XRD)、扫描隧道显微镜(STM)以及红外光谱(IR)等,它们能够提供关于催化剂表面结构、吸附物种和反应中间体的实时信息。我们将阐述如何利用这些实验数据来验证理论计算结果,并反过来指导理论模型的改进。 特定催化体系的微观动力学分析: 为了将理论应用于实践,本书将选取几个重要的多相催化体系进行案例分析,例如: CO氧化反应: 探讨不同金属(Pt, Pd, Au)和氧化物载体(CeO2, TiO2)上CO氧化反应的微观动力学,重点关注活性位点的性质和氧物种的作用。 氨氧化与合成: 深入分析氨在金属催化剂上的分解和重组过程,以及与氧的反应路径,揭示其在环境催化和合成氨中的微观动力学。 氢气脱氢反应: 关注烃类分子在金属催化剂上的C-H键活化和断裂的微观动力学,以及副反应(如积碳)的形成机制。 选择性氧化反应: 分析醇、烯烃等有机物在金属或金属氧化物催化剂上的选择性氧化过程,揭示产物选择性的来源。 本书的特点: 理论与实践并重: 紧密结合前沿的理论计算方法和先进的实验表征技术,提供一个多维度、深层次的视角。 系统性与全面性: 从原子尺度到宏观性能,系统梳理多相催化过程中的微观动力学现象,覆盖了理论模型、计算方法和典型案例。 深度与广度兼顾: 既有对基本概念和理论的深入剖析,也涵盖了当前研究的热点和前沿方向。 面向读者: 适合催化、化学、材料科学、化学工程等相关领域的研究人员、研究生以及对多相催化有浓厚兴趣的本科生。 通过阅读本书,读者将能够建立起一个坚实的微观动力学知识体系,为理解和设计高效、高选择性的多相催化剂提供强有力的理论支撑。这将有助于推动新一代催化剂的研发,为解决能源、环境和化工领域的重大挑战贡献力量。

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读后感

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用户评价

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作为一个对化学科学充满好奇心的学生,我一直对“看不见的世界”感到着迷,而多相催化无疑是其中一个极其迷人的领域。“多相催化微观动力学”这个书名,立刻吸引了我的注意力,因为它似乎承诺要揭示那些隐藏在催化反应表象之下的微观规律。我希望这本书能够以一种清晰易懂的方式,介绍多相催化过程中涉及到的各种基本单元操作,比如反应物分子如何从气相或液相扩散到催化剂表面,它们如何与催化剂表面上的活性位点发生相互作用,是牢固的化学吸附还是弱的物理吸附,这些吸附过程对后续反应又有何影响。我期待书中能够详细讲解表面反应动力学,包括键的断裂和形成,中间产物的生成和转化,以及产物分子的脱附过程。更重要的是,我希望能从中了解到,催化剂的微观结构,例如它的电子结构、晶格振动、表面缺陷等,是如何影响这些微观动力学过程的。是否会有对例如Eley-Rideal和Langmuir-Hinshelwood等经典表面反应机理模型的深入剖析?我希望书中不仅仅停留在理论层面,更能通过一些具体的实验案例,来展示如何利用微观动力学研究来理解和解决实际的催化问题。例如,如何通过精确控制反应条件,来引导反应沿着期望的微观路径进行,从而提高产物的选择性,减少副产物的生成。这本书的出现,对我而言,就像是开启了一扇通往微观化学世界的窗户,让我能够更深入地理解物质转化的本质。

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我是一名从事新材料开发的研究员,对催化剂的性能提升始终抱有极高的热情。“多相催化微观动力学”这个书名,精准地击中了我在材料设计过程中最核心的诉求。我希望这本书能够提供一套系统的理论框架,帮助我理解材料的微观结构如何映射到催化性能的宏观表现。我尤其关注书中是否会深入探讨,通过调控催化剂的电子结构、晶面暴露、纳米形貌、甚至是引入助剂或合金化,是如何改变其表面的电子密度、几何构型以及与反应物分子的相互作用力,从而影响微观动力学过程。我期待书中能够详细介绍如何利用第一性原理计算(如DFT)和分子动力学模拟来预测不同材料在特定反应条件下的吸附能、活化能、扩散系数以及反应路径。此外,我非常想了解,如何通过这些计算结果来指导新型催化剂的设计,例如,如何寻找具有最优电子结构的活性位点,如何设计能够稳定暴露高活性晶面的纳米颗粒,或者如何利用助剂来调控催化剂表面的电子转移和传质过程。这本书能否为我提供一套从材料设计到性能预测的完整思路,帮助我更高效地开发出具有优异活性、选择性和稳定性的新型多相催化剂,从而为解决能源、环境和化学合成等领域的重大挑战提供新的材料解决方案。

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我是一名材料科学领域的学生,尤其对那些能够影响化学反应速率的微观因素感到好奇。“多相催化微观动力学”这个书名,让我看到了一个能够深入理解这一核心问题的途径。我希望这本书能够以一种清晰且系统的方式,介绍多相催化过程中涉及到的各种微观过程,例如反应物分子的吸附、在催化剂表面的扩散、键的断裂与形成、以及产物的脱附。我特别想了解,催化剂的微观结构,如其晶面指数、表面缺陷、纳米颗粒的尺寸和形貌,以及其电子结构,是如何精确地影响这些微观动力学过程的。我期待书中能够提供一些理论工具,例如量子化学计算(如DFT)和动力学蒙特卡洛模拟,来帮助我们理解这些微观过程的能量学和动力学参数。同时,我希望书中能够通过一些具体的案例研究,来展示如何利用微观动力学研究来优化催化剂的性能,例如如何提高反应物的转化率、选择性以及催化剂的稳定性。这本书对我来说,就像是一本地图,指引我深入探索催化反应的微观世界,从而更好地理解和设计高性能的催化材料。

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“多相催化微观动力学”这个书名本身就散发出一种严谨而深邃的气息,让我这个对催化领域略知一二的读者充满了好奇。我一直对化学反应发生的微观世界抱有浓厚的兴趣,尤其是那些肉眼无法直接观测到的原子、分子层面的运动和相互作用。多相催化,顾名思义,涉及到了不同相态之间的催化过程,例如固体催化剂与气体或液体反应物之间的相互作用。理解这个过程的动力学,即反应速率、中间产物形成与消失、以及能量传递等微观机制,无疑是优化催化剂性能、设计更高效催化反应的关键。这本书的标题似乎承诺了深入揭示这些隐藏在宏观现象背后的奥秘,让我期待能够借由书中的内容,构建起从原子尺度到宏观反应率的桥梁。我尤其好奇书中会如何处理不同反应物吸附、解吸、表面扩散、键的断裂与形成等基本过程,以及这些过程如何受到催化剂的电子结构、晶面特性、表面缺陷等微观因素的影响。是否会有对量子化学计算、分子动力学模拟等先进计算方法的详细介绍,以及如何将这些计算结果与实验观测相结合?我希望书中能够提供清晰的理论框架,辅以具体的案例分析,帮助我理解那些看似复杂的催化现象背后的简单物理化学原理。同时,对于“动力学”这一概念,我理解它不仅仅是描述反应速率,更包含了反应路径、活化能、熵变等热力学和统计力学层面的考量。因此,我期待书中能够系统地阐述如何通过微观动力学研究来理解催化剂的选择性、活性以及稳定性,从而为实际的催化应用提供坚实的理论基础。这本书的出现,仿佛为我打开了一扇通往多相催化微观世界的大门,让我迫不及待地想要一探究竟,解开那些驱动着无数化学转化发生的精密齿轮。

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我是一名资深的化学工程师,在工业催化领域摸爬滚打多年,深知理论与实践之间的差距。常常在面对一些难以解释的催化现象时,感到力不从心,总觉得如果能更深入地理解其微观机制,或许就能找到更优的解决方案。“多相催化微观动力学”这个书名,正是我多年来一直在寻找的那把钥匙。我期望这本书能够提供一种系统性的视角,来解析那些困扰我们的工业催化难题。例如,为何在相同的反应条件下,不同批次的催化剂活性会出现差异?催化剂失活的根本原因是什么?如何通过理解微观动力学来设计更具选择性、更长寿命的催化剂?我希望书中能够通过严谨的数学模型和物理化学原理,阐述吸附、解吸、表面反应、扩散等一系列微观过程是如何协同作用,最终决定宏观的催化性能。我尤其期待书中能够深入讨论不同催化剂材料(如金属、氧化物、碳材料)在微观动力学层面的差异,以及它们如何与不同反应物相互作用。是否会涉及一些最新的研究方法,比如原位光谱技术(IR, Raman, XPS等)或扫描隧道显微镜(STM),来直接观测和研究催化剂表面的动态过程?我希望书中不仅能提供理论知识,更能展示如何将这些理论知识转化为实际的催化剂设计和工艺优化策略。例如,如何通过调控催化剂的晶面取向、粒径大小、表面修饰等微观结构,来改变其表面的电子密度和活性位点的性质,进而影响微观动力学的进程。这本书的出现,对我来说,不仅仅是一本学习资料,更可能是一份解决实际问题的宝贵参考。

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我是一名对环境科学领域高度关注的读者,深知催化技术在解决污染问题中的关键作用。“多相催化微观动力学”这个书名,让我看到了一个深入理解环境催化机理的希望。我非常希望这本书能够聚焦于那些与环境保护息息相关的催化反应,例如汽车尾气净化、工业废气处理、水污染降解等,并对其微观动力学进行深入剖析。我期待书中能够详细阐述,在这些应用中,催化剂的活性位点是如何与污染物分子(如NOx、CO、VOCs)发生吸附、活化和转化的,以及如何通过调控催化剂的微观结构和电子性质,来提高其对目标污染物的选择性和转化效率。我尤其想了解,如何通过研究微观动力学来理解催化剂的抗中毒机制,例如,在复杂烟气成分中,如何设计能够抵抗SO2、H2O等物质吸附的催化剂。同时,我希望书中能够探讨,如何利用微观动力学研究来设计更经济、更高效的催化剂,以降低环境治理成本,并推动绿色化学技术的发展。这本书的出现,对我而言,不仅仅是一次知识的获取,更可能是一次对如何运用科学原理解决现实环境问题的深刻启迪。

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作为一名在化学生产一线工作的技术人员,我常常会遇到各种各样难以预测的催化问题,例如催化剂活性突然下降、产品选择性变差、或者反应速率异常等。“多相催化微观动力学”这个书名,听起来就蕴含着解决这些问题的关键线索。我希望能在这本书中找到对这些现象背后微观机制的深入解释。我期待书中能够详细分析,在实际的工业生产环境中,反应物浓度、温度、压力、甚至杂质的存在,是如何通过影响催化剂表面的吸附、扩散和反应动力学,从而导致宏观性能的变化。我希望书中能够提供一些实用的方法,来诊断和理解催化剂失活的原因,例如,是表面积炭、晶体烧结、活性位中毒,还是其他更复杂的微观过程。同时,我希望书中能够探讨如何通过优化催化剂的微观结构和表面性质,来提高其稳定性和抗中毒能力。例如,如何设计具有更强抗烧结能力的纳米催化剂,或者如何通过表面改性来抑制杂质的吸附。这本书的价值在于,它能否将抽象的微观理论与具体的工业应用联系起来,为我们这些一线技术人员提供解决实际生产问题的思路和方法,帮助我们更有效地管理和优化催化过程,提高生产效率,降低能耗和排放。

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作为一名物理化学专业的学生,我对分子层面的相互作用和能量转化机制有着天然的浓厚兴趣。“多相催化微观动力学”这个书名,立即吸引了我,因为它似乎为我提供了一个深入理解这些基本原理在复杂催化体系中的应用的绝佳机会。我期待书中能够系统地阐述,多相催化过程中涉及到的每一个原子或分子是如何在能量和动量守恒的框架下发生相互作用的。我特别希望书中能够深入剖析,反应物分子的吸附能、解吸能,表面反应的活化能以及过渡态的结构,是如何通过量子化学方法精确计算出来的,以及这些参数如何直接决定了反应速率和热力学。我希望书中能够详细解释,表面振动、电子激发以及能量弛豫等微观过程,是如何参与到催化循环中,并影响反应路径的选择。是否会涉及一些先进的表征技术,例如光电子能谱(PES)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及时间分辨光谱技术,来监测催化过程中瞬时存在的中间态及其动力学行为?我希望这本书能够帮助我建立起从微观量子力学描述到宏观动力学行为的桥梁,从而更深刻地理解化学反应的本质,以及如何通过精确控制微观过程来调控宏观化学转化。

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作为一名对材料科学和化学工程交叉领域充满热情的学生,我常常在思考如何才能真正理解那些支撑起现代工业的催化反应。仅仅了解宏观的反应式和产率是远远不够的,真正令人着迷的是那些发生在催化剂表面的“魔术”。“多相催化微观动力学”这个名字,犹如一位引路人,指引我走向这个充满挑战和机遇的领域。我迫切希望书中能够详尽地剖析多相催化过程中涉及到的每一个基本步骤:反应物分子如何在催化剂表面找到合适的活性位点,它们是如何被吸附、活化,然后发生化学键的重组,最终形成产物分子并脱附。我尤其关注书中是否会深入探讨不同吸附模式(如化学吸附和物理吸附)对反应活性的影响,以及表面扩散在将反应物输送到活性位点中的作用。此外,我非常想了解催化剂表面微观结构,例如晶面的暴露程度、缺陷的存在与否,甚至是单个原子的排列方式,是如何精细地调控这些微观动力学过程的。这本书是否会提供一些理论工具,比如密度泛函理论(DFT)计算,来模拟和预测这些微观过程的能量学和动力学参数?我期望书中能展示如何利用这些计算结果来指导实验设计,从而更有效地筛选和开发新型催化剂。同时,对于“动力学”的理解,我希望书中不仅仅停留在速率常数的层面,而是能够深入到反应机理、中间体的寿命、能量分布以及构效关系的建立。一本好的教科书,应该能够将抽象的理论与具体的应用紧密联系起来,我期待这本书能够做到这一点,为我理解例如石油化工、环境保护、能源转化等领域的催化技术提供深刻的洞见,从而能够独立思考和解决实际工程问题。

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我是一名年轻的研究者,刚刚踏入催化领域,对未来充满了探索的渴望。“多相催化微观动力学”这个书名,对我来说,就像是一本期待已久的“天书”,它触及了我研究中最核心、也最令我困惑的部分。我渴望能够从书中找到系统性的指导,来理解那些决定催化剂性能的微观层面的因素。我特别希望书中能够深入阐述,不同的催化剂材料,比如金属纳米颗粒、氧化物载体、甚至是金属有机框架(MOFs),它们在微观动力学上究竟有何本质区别?它们表面的电子态、几何结构、缺陷密度是如何影响反应物分子的吸附强度、活化能以及反应路径的?我期待书中能够详细介绍目前研究微观动力学所使用的先进实验技术,例如表面X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(IR)、拉曼光谱(Raman)以及原位透射电子显微镜(TEM)等,以及如何通过这些技术来实时监测催化反应过程中的表面变化。同时,对于理论计算方面,我非常想了解量子化学计算(如DFT)和动力学蒙特卡洛(Kinetic Monte Carlo, KMC)等方法是如何被用来模拟和预测多相催化过程的微观动力学的。这本书能否为我提供清晰的理论框架和计算思路,帮助我理解如何运用这些工具来设计高性能的催化剂?我希望它能成为我进行原创性研究的坚实理论基础,引领我探索催化科学的前沿,解决更具挑战性的科学问题。

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