具体描述
This long-awaited reference source is the first book to focus on this important and hot topic. As such, it provides examples from a wide array of fields where catalyst design has been based on new insights and understanding, presenting such modern and important topics as self-assembly, nature-inspired catalysis, nano-scale architecture of surfaces and theoretical methods. With its inclusion of all the useful and powerful tools for the rational design of catalysts, this is a true "must have" book for every researcher in the field.
《设计与优化多相催化剂：理解、创新与应用》 内容简介 本书深入探讨了多相催化剂的设计、制备、表征及其在广泛化学过程中的应用。本书旨在为化学、化学工程、材料科学以及相关领域的学生、研究人员和工业界专业人士提供一个全面且实用的参考，帮助他们理解多相催化剂的内在机制，并掌握设计和优化高性能催化剂的策略。 第一部分：多相催化剂的基础理论 本部分奠定了理解多相催化剂工作原理的理论基础。 第一章：多相催化概述 催化在现代工业中的关键作用：能源、环保、精细化学品合成等。 多相催化的定义与分类：固-气、固-液、固-固催化。 多相催化剂的组成：活性组分、载体、助剂。 催化反应的能量学和动力学：活化能、吸附、脱附、表面反应。 催化剂的性能指标：活性、选择性、稳定性。 选择性：原子经济性、绿色化学理念的体现。 稳定性：催化剂失活的机制（烧结、中毒、沉积、磨损）与提高稳定性策略。 多相催化在不同领域的代表性应用举例。 第二章：表面科学与催化 表面结构与晶体学：不同晶面的原子排列、缺陷、台阶、拐角对催化活性的影响。 表面电子结构：d带中心理论、表面金属的电子态及其与吸附强度的关系。 吸附理论：物理吸附与化学吸附的机理、吸附能、吸附等温线（Langmuir、Freundlich、Temkin）。 表面反应机理：Langmuir-Hinshelwood、Eley-Rideal、Mars-van Krevelen机理。 密度泛函理论（DFT）在催化研究中的应用：计算吸附能、反应路径、过渡态。 表面分析技术：X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、扫描隧道显微镜（STM）、原子探针成像（APT）等，用于研究表面结构、化学态和原子分布。 第三章：载体的作用与选择 载体的功能：分散活性组分、提供高比表面积、影响催化剂的热稳定性、调节催化剂的孔隙结构和表面性质。 常见载体材料及其特性： 氧化物：氧化铝（α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锆（ZrO₂）、沸石、蒙脱石等。 碳材料：活性炭、石墨烯、碳纳米管。 金属及合金：如铂、钯等作为载体（双金属催化剂）。 载体结构对催化性能的影响：比表面积、孔径分布、孔容、表面酸碱性、表面缺陷。 载体改性技术：浸渍、化学键合、载体与活性组分的协同作用。 选择合适载体的原则：反应类型、反应条件（温度、压力）、原料性质、成本等。 第四章：活性组分的选择与分散 贵金属催化剂：Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Au, Ag等，在加氢、氧化、脱氢、重整等反应中的应用。 过渡金属氧化物催化剂：Fe, Co, Ni, Cu, Mn, Cr等，在氧化、聚合、选择性加氢等反应中的应用。 非金属催化剂：如碳基催化剂（C-N, C-S键）、氮掺杂碳等。 纳米催化剂：尺寸效应、量子尺寸效应、高比表面积和高表面原子比例带来的优势。 活性组分的分散技术： 浸渍法（Impregnation）：干浸渍、湿浸渍、改进浸渍法。 沉淀法（Precipitation）。 共沉淀法（Co-precipitation）。 溶胶-凝胶法（Sol-gel）。 化学气相沉积（CVD）。 原子层沉积（ALD）：实现原子级精确控制活性组分的分散。 金属-载体相互作用（SMSI）：影响金属颗粒的尺寸、形状、电子结构以及催化活性和选择性。 金属纳米颗粒的生长与稳定性：烧结、团聚的机制与抑制方法。 第二部分：多相催化剂的设计与制备 本部分详细介绍了设计与制备高性能多相催化剂的各种方法和策略。 第五章：催化剂的宏观结构设计 催化剂的形态：颗粒、球形、挤条、蜂窝状、泡沫状等，对传质传热的影响。 催化剂的孔结构设计：微孔、介孔、大孔的协同作用，优化扩散路径，减少传质限制。 多孔材料的合成：模板法、自组装法、刻蚀法。 微反应器与催化剂床层设计：固定床、流化床、移动床、旋转床等。 负载型催化剂的结构控制：活性组分在载体表面的分布（表面、内部）、层状结构、核壳结构。 第六章：催化剂的制备技术 干法制备： 固相反应法（Solid-state reaction）。 研磨法（Milling）。 湿法制备： 浸渍法（Impregnation）：等体积浸渍、干浸渍、浸渍-干燥-焙烧（IDP）。 沉淀法（Precipitation）：控制pH、温度、浓度、陈化时间。 共沉淀法（Co-precipitation）：制备复合氧化物、复合金属氧化物。 溶胶-凝胶法（Sol-gel）：制备高比表面积、高分散度氧化物和复合材料，控制孔结构。 水热/溶剂热法（Hydrothermal/Solvothermal）：制备有序介孔材料、金属有机框架（MOFs）前驱体。 气相沉积技术： 化学气相沉积（CVD）：在载体表面形成薄膜或纳米颗粒。 原子层沉积（ALD）：实现原子级别的精确控制，制备超薄、高度均匀的功能层。 模板法：用于制备具有特定孔结构的材料，如介孔二氧化硅、氧化铝。 烧结与焙烧：影响晶体结构、颗粒生长、活性相的形成。 还原处理：将金属前驱体转化为活性金属单质，如氢气还原、甲酸分解还原。 催化剂的熟化与预处理：使催化剂达到最佳活性状态。 第七章：催化剂的表征技术 物理性质表征： 比表面积与孔隙率测定：BET法（N₂吸附-脱附）。 孔径分布测定。 密度、堆积密度。 结构与物相分析： X射线衍射（XRD）：晶体结构、物相组成、晶粒尺寸。 透射电子显微镜（TEM）/扫描电子显微镜（SEM）：形貌、颗粒尺寸、分散度、载体结构。 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）：晶格条纹，观察纳米颗粒与载体的界面。 X射线吸收光谱（XAS）：X射线吸收精细结构（XAFS），如XANES和EXAFS，提供局部原子结构、氧化态和配位环境信息。 化学组成与表面性质分析： X射线光电子能谱（XPS）：表面元素的化学态、化学组成。 俄歇电子能谱（AES）：表面元素分析。 能量色散X射线光谱（EDX/EDS）：元素组成分析。 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：表面官能团、吸附物种的鉴定。 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：表面官能团、结构振动分析。 程序升温脱附（TPD/TPR/TPO）：表面酸碱位、吸附物种的性质、催化剂的还原/氧化行为。 核磁共振（NMR）：固体NMR，用于表征表面酸性位、活性物种。 表面形态与原子尺度成像： 扫描隧道显微镜（STM）：原子分辨率的表面形貌和电子性质。 原子力显微镜（AFM）：表面形貌、高度信息。 原子探针成像（APT）：三维原子分辨率成像。 第三部分：多相催化剂的性能优化与应用 本部分关注如何通过实验和理论手段优化催化剂性能，并展示其在关键领域的应用。 第八章：催化剂性能的优化策略 提高活性： 增加活性组分的分散度和暴露率。 设计具有更高固有活性的活性相（例如，改变合金组成，优化氧化态）。 强化金属-载体相互作用。 引入协同效应（例如，多金属氧化物，不同组分之间的协同作用）。 提高选择性： 调控活性位点的几何和电子结构，使其仅催化目标反应。 设计合理的孔道结构，限制大分子的进入或产物的脱附。 表面钝化或修饰。 引入催化剂的“孔道选择性”或“形状选择性”。 提高稳定性： 抑制活性组分的烧结和团聚（例如，通过载体锚定，引入稳定剂）。 提高催化剂对中毒物的抵抗能力（例如，通过改变表面性质，预处理）。 增强催化剂的热稳定性。 机械强度改进。 催化剂的失活与再生： 失活机理的诊断：原位表征、失活催化剂分析。 再生技术：焙烧再生、化学清洗、还原再生。 设计具有易再生性的催化剂。 第九章：多相催化在能源领域的应用 氢气生产与储存： 蒸汽重整（SMR）与部分氧化（POX）甲烷制氢。 水煤气变换（WGS）反应。 甲烷干气重整（DMR）。 电催化/光催化水分解制氢。 氨分解制氢。 燃料转化与合成： 费托合成（Fischer-Tropsch Synthesis）：CO/CO₂加氢合成烃类燃料。 甲醇合成。 甲醇制烯烃（MTO）。 烷烃脱氢制烯烃。 生物质转化。 污染物控制： 汽车尾气催化转化器：CO, NOx, HC的氧化与还原。 固定源排放的VOCs氧化。 工业废气的脱硫脱硝。 第十章：多相催化在化学工业中的应用 精细化学品合成： 选择性氧化：环己烷氧化制己二酸，丙烯选择性氧化制丙烯醛/丙烯酸。 选择性加氢：硝基化合物加氢制胺类，不饱和化合物选择性加氢。 聚合催化剂：齐格勒-纳塔催化剂（Ziegler-Natta catalysts）、茂金属催化剂（Metallocene catalysts）。 烷基化、芳构化、异构化反应。 石油化工： 催化裂化（FCC）：汽油生产。 加氢裂化（Hydrocracking）。 重整（Reforming）：高辛烷值汽油组分生产。 异构化（Isomerization）：低辛烷值链烷烃转化为高辛烷值异构烷烃。 氨合成：Haber-Bosch过程。 硫酸生产：SO₂氧化制SO₃。 第十一章：先进的多相催化技术与未来展望 原位/在线表征技术：同步辐射、原位TEM/XPS等，实时监测反应过程中催化剂的变化。 计算化学与机器学习：高通量计算、多尺度模拟，加速催化剂设计和性能预测。 单原子催化剂（SACs）：具有最高原子利用率和独特催化性能。 金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）：可调的孔结构和功能化位点。 新型载体材料：如碳材料（石墨烯、碳纳米管）、二维材料（MXenes）。 多功能催化剂：集多种催化活性于一体，实现级联反应。 绿色催化剂与可持续化学：使用可再生原料，开发环境友好的催化过程。 反应工程与催化剂的集成设计：将催化剂设计与反应器工程相结合，实现整体过程的最优。 催化剂的设计原则：从微观到宏观的协同优化。 本书通过理论讲解、实验方法介绍、表征手段剖析和丰富实例展示，为读者构建了一个关于多相催化剂的完整知识体系。无论是致力于基础研究的学者，还是寻求工业应用解决方案的工程师，本书都将是一份宝贵的参考资源，激发创新思维，推动多相催化领域的发展。
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