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本书的创作主旨是：能够给读者提供较为详尽、广博的催化专业基础知识。本书首先以催化作用的核心——活性中心的本质、结构、性能及调变规律的认识展开，以期让人们了解关于催化作用在理论上的认识过程。继而讲述催化剂制备科学，试图从最常用的催化剂制备过程阐明其化学原理。最后介绍催化化学的主要应用领域，即氨合成化学、石油炼制化学、三大合成催化（合成纤维、合成橡胶、合成树脂）、合成气化学、石油化工-精细化工、环境催化及生物质催化转化。 考虑到研究生教材的需要，本书在《固体催化剂研究方法》一书的基础上，精选了十种最通用、最基本的方法，并增加了近十年的主要进展成果形成本书。全书包括催化剂的宏观物性测定、分析电子显微镜方法、热分析方法、X射线衍射分析、化学吸附和程序升温技术、分子光谱方法、核磁共振方法、光电子能谱方法、多相催化反应动力学。
本书可作为催化及材料专业硕士、博士研究生必读教材，也可作为相关专业科研技术人员的参考书。
目录
- 目录
“催化与材料化学研究生教学丛书”序
前言
第1章 催化活性中心/活性相概念的认知1
1.1引言1
1.2经典的催化基础研究（1900～1960年）3
1.2.1在金属催化剂表面的化学吸附3
1.2.2化学吸附的分子轨道描述4
1.2.3化学吸附的主要研究方法5
1.2.4金属催化剂的d电子理论10
1.2.5在金属氧化物催化剂表面的化学吸附13
1.2.6表面键的研究16
1.3表面科学对催化研究的推动19
1.3.1活性相/活性中心的识别21
1.3.2氨合成活性相研究21
1.3.3探针分子的红外光谱23
1.3.4参与反应的活性相/活性中心的识别25
1.4纳米科学与技术对催化科学的冲击28
1.4.1催化剂活性中心/活性相粒子大小、分布、组成、结构的控制合成和表征28
1.4.2催化剂活性中心/活性相的形貌控制32
1.4.3在多孔材料孔中活性相的调控和表征33
1.4.4纳米反应器的设计合成34
1.4.5全紫外-可见区激光共振拉曼光谱36
1.4.6多孔催化材料合成原位表征37
1.4.7催化中的限域效应40
1.5展望42
参考文献43
第2章 固体催化剂制备技术原理46
2.1引言46
2.2本体催化剂47
2.2.1沉淀/共沉淀法47
2.2.2溶胶-凝胶法56
2.3负载催化剂61
2.3.1金属离子在载体表面的吸附61
2.3.2浸渍法66
2.3.3沉积沉淀法70
2.4固体催化剂制备技术进展78
2.4.1微波和等离子体技术78
2.4.2原子层沉积法81
2.4.3微/纳乳液法83
2.5结语和展望87
参考文献88
第3章 氨合成化学98
3.1引言98
3.2工业合成氨过程99
3.2.1原料气制取99
3.2.2原料气净化100
3.2.3氨合成及其热力学101
3.3氨合成催化剂102
3.3.1催化剂的化学组成102
3.3.2熔铁催化剂的制备过程与化学反应104
3.3.3氨合成催化剂的还原106
3.3.4熔铁催化剂的结构109
3.4氨合成催化反应机理113
3.4.1氢气和氮气的活化113
3.4.2氮化物的形成115
3.4.3基元步骤116
3.4.4氨合成反应机理119
3.4.5氨分解反应机理121
3.4.6结构敏感与结构非敏感反应122
3.5氨合成总包反应动力学124
3.5.1Temkin方程式124
3.5.2Temkin-Pyzhev氨合成反应速率方程126
3.5.3氨合成反应宏观动力学127
3.5.4氨合成反应器130
3.6新型氨合成催化剂和技术132
3.6.1新型氨合成催化剂132
3.6.2新型氨合成技术134
参考文献138
第4章 石油炼制催化作用143
4.1引言143
4.2石油的性质及化学组成144
4.3催化裂化及加氢裂化中的催化作用144
4.3.1催化裂化反应145
4.3.2催化裂化催化剂148
4.3.3催化裂化工艺流程154
4.3.4加氢裂化反应154
4.3.5加氢裂化催化剂158
4.3.6加氢裂化工艺流程161
4.4加氢精制中的催化作用165
4.4.1加氢精制中的化学反应165
4.4.2加氢精制催化剂172
4.5催化重整中的催化作用176
4.5.1催化重整中的化学反应177
4.5.2催化重整催化剂179
4.5.3催化重整原料的选择和预处理183
4.5.4催化重整工艺流程184
参考文献186
第5章 三大合成催化189
5.1引言189
5.1.1合成高分子的历史发展189
5.1.2合成高分子材料的重要价值190
5.1.3合成高分子材料分类191
5.2高分子材料合成中典型催化问题195
5.2.1聚烯烃材料及其催化剂195
5.2.2合成橡胶材料及其催化聚合207
5.2.3合成聚酯材料及其催化聚合209
5.3展望211
参考文献212
第6章 合成气化学215
6.1引言215
6.2合成气中枢216
6.2.1合成气中枢的概念216
6.2.2合成气中枢的催化技术217
6.3合成气制造218
6.3.1煤气化制合成气219
6.3.2天然气（含煤层气、页岩气等）制合成气219
6.3.3生物质气化制合成气225
6.4合成气转化利用229
6.4.1合成气转化利用概述229
6.4.2合成气转化制含氧化合物229
6.4.3合成气转化制烃燃料236
6.4.4合成气转化制低碳烯烃239
6.5结论和展望243
参考文献243
第7章 石油化工-精细化工249
7.1引言249
7.2催化加氢251
7.2.1加氢催化剂252
7.2.2苯加氢制环己烯253
7.2.3硝基化合物加氢制芳香胺254
7.2.4脂肪酸及其酯加氢255
7.2.5生物质来源化合物加氢制化学品256
7.3烃类催化氧化258
7.3.1烃类氧化催化剂260
7.3.2环己烷氧化制环己酮和己二酸268
7.3.3对二甲苯氧化制对苯二甲酸270
7.3.4甲苯和乙苯氧化273
7.3.5苯氧化制苯酚274
7.3.6环己烯氧化制己二酸277
7.3.7丙烯环氧化制环氧丙烷278
7.4醇催化氧化制醛（酮）279
7.4.1贵金属催化体系279
7.4.2非贵金属体系282
7.4.3有机催化体系284
7.5氨氧化286
7.5.1丙烯氨氧化286
7.5.2丙烷氨氧化287
7.5.3甲苯及取代甲苯氨氧化287
7.5.4结语288
7.6羰基化288
7.6.1烯烃氢甲酰化289
7.6.2烯烃氢羧基化290
7.6.3甲醇羰基化291
7.6.4卤代烷与CO的羰基化反应292
7.6.5胺与CO的羰基化反应292
7.7酯化292
7.7.1酯化反应的类型292
7.7.2酯化反应历程与热力学293
7.7.3酯化反应的催化剂294
7.7.4酯化工艺295
7.8展望295
参考文献296
第8章 环境催化306
8.1环境催化及其特殊性306
8.1.1环境催化的定义、研究对象和任务307
8.1.2环境催化的特殊性309
8.2移动源燃烧排放的催化净化310
8.2.1汽油车尾气催化净化311
8.2.2柴油机和稀燃汽油机尾气催化净化316
8.2.3清洁燃料车尾气催化净化322
8.3固定源燃烧排放的催化净化324
8.3.1烟气选择性催化还原脱硝原理和技术325
8.3.2烟气催化脱硫330
8.3.3同时催化脱硫脱硝技术333
8.4室内空气催化净化335
8.4.1室内空气光催化净化336
8.4.2室内空气常温催化净化337
8.4.3低温等离子体协同催化技术339
8.5水处理过程中的多相催化342
8.5.1光催化水处理技术342
8.5.2绿化催化新工艺——芬顿技术的发展及应用344
8.5.3臭氧催化氧化水处理技术346
8.5.4湿式催化氧化技术347
8.5.5双金属催化剂催化去除水中硝酸盐350
8.6温室效应和臭氧层消耗物质的催化转化352
8.6.1甲烷二氧化碳催化重整352
8.6.2氧化亚氮的催化消除353
8.6.3氯氟烃的无害化357
8.6.4羰基硫的催化水解和氧化358
参考文献360
第9章 生物质催化转化368
9.1生物质简介368
9.1.1生物质的定义368
9.1.2生物质的分类369
9.1.3生物质的主要组分369
9.1.4生物质的转化利用371
9.2纤维素转化371
9.2.1组成结构371
9.2.2理化性质373
9.2.3纤维素的催化转化374
9.3半纤维素转化384
9.3.1组成385
9.3.2理化性质387
9.3.3半纤维素的催化转化387
9.4木质素393
9.4.1组成结构393
9.4.2木质素的性质394
9.4.3木质素的催化转化395
9.5糖及其衍生物的转化409
9.5.1糖的基本知识410
9.5.2单糖、寡糖和多糖411
9.5.3单糖的催化转化415
9.6多元醇的转化426
9.6.1多元醇性质和来源426
9.6.2多元醇的转化利用428
9.7油脂和藻类生物质438
9.7.1油脂的分类与组成438
9.7.2油脂的利用439
9.7.3微藻的利用446
9.7.4微藻的催化转化利用448
参考文献449
作者简介463
前言
第1章 物理吸附和催化剂的宏观物性测定
1.1 吸附与物理吸附
1.1.1 固气表面上的吸附
1.1.2 物理吸附的理论模型
1.2 宏观物性测定
1.2.1 表面积
1.2.2 孔体积和孔径分布
1.2.3 颗粒度测定
1.2.4 密度测定
1.2.5 催化剂机械强度的测定
第1章参考文献
第2章 透射电子显微镜
2.1 透射电子显微镜简介
2.1.1 电子枪
2.1.2 照明系统
2.1.3 物镜
2.1.4 中间镜和投影镜
2.1.5 记录系统
2.2 电子衍射和成像
2.2.1 电子物质相互作用
2.2.2 电子衍射
2.2.3 透射电子显微镜成像
2.3 扫描透射电子显微镜
2.4 分析电子显微镜
2.4.1 X射线能谱
2.4.2 电子能量损失谱
2.5 电子显微镜中样品的辐射损伤
2.6 电子显微镜在多相催化中的应用
2.6.1 试样的制备
2.6.2 催化剂粒子大小分布
2.6.3 金属纳米颗粒的原子结构
2.6.4 二元金属粒子的化学组分和结构
2.6.5 金属载体相互作用
2.6.6 催化剂表面结构
2.6.7 过渡族金属氧化物催化剂
2.6.8 电子能量损失谱在研究催化材料中的应用
2.7 新型透射电镜
2.7.1 球差修正的透射电镜/扫描透射电镜
2.7.2 高能量分辨率扫描透射电子显微镜
2.7.3 三维电子显微技术
2.7.4 电子全息成像
2.7.5 原位环境透射电子显微镜
2.8 透射电子显微镜的局限性及应注意的事项
2.9 结束语
第2章参考文献
第3章 热分析方法
3.1 热分析的分类
3.2 几种常用的热分析技术
3.2.1 热重法
3.2.2 差热分析
3.2.3 差示扫描量热法
3.2.4 温度调制式差示扫描量热法
3.3 热分析动力学简介
3.4 热分析在催化研究中的应用
3.4.1 催化剂性能方面的研究
3.4.2 动力学研究
3.4.3 纯硅分子筛结构的热力学研究
3.5 热分析联用技术
3.5.1 热重分析与FTIR光谱仪联用
3.5.2 热重分析与质谱仪联用技术
3.5.3 热重-红外-质谱联用技术
3.6 热分析实验技巧
3.6.1 升温速率的影响
3.6.2 样品用量的控制
3.6.3 气氛的选择
3.6.4 坩埚加盖与否的选择
3.6.5 DSC基线
3.7 结束语
第3章参考文献
第4章 X射线衍射分析
4.1 XRD的基本概念与基本原理
4.1.1 晶体的对称性
4.1.2 晶胞及晶胞的两个基本要素
4.1.3 晶面和晶面指标
4.1.4 晶体对X射线的衍射
4.1.5 布拉格方程
4.1.6 晶面间距与晶胞参数
4.1.7 电子的散射强度和原子的散射因子
4.1.8 衍射强度与晶胞中原子的分布
4.1.9 X射线光源形成机制
4.1.10 物相分析
4.1.11 平均晶粒度的测定
4.2 XRD在催化材料研究中的应用
4.2.1 物相结构分析
4.2.2 氧化铝的相含量估算
4.2.3 三氧化钼还原过程中晶相演变的原位XRD分析
4.2.4 中孔材料的小角度XRD分析
4.2.5 催化剂晶粒度与分散度测定
4.2.6 XRD图谱的全谱结构拟合分析
4.2.7 铁铬固溶体的固溶度
4.2.8 分子筛硅铝比
第4章参考文献
第5章 化学吸附和程序升温技术
5.1 化学吸附的基本原理
5.1.1 化学吸附过程简单的热力学讨论
5.1.2 吸附速率
5.1.3 脱附速率
5.2 化学吸附的基本规律——3种模型的吸附等温式
5.2.1 Langmuir吸附等温式
5.2.2 Freundlich吸附等温式
5.2.3 Temkin吸附等温式
5.3 动态分析方法理论
5.3.1 程序升温脱附基本原理
5.3.2 TPD实验装置和图谱定性分析
5.3.3 TPD过程中动力学参数的确定
5.3.4 还原过程基本原理
5.3.5 程序升温氧化原理
5.3.6 程序升温表面反应
5.4 TPD技术在催化剂表面酸碱性和氧化还原性能研究中的应用
5.4.1 NH3、C2H4和1-C4H8TPD研究含硼分子筛的酸性质
5.4.2 脱铝MCM-49分子筛的结构、酸性及苯与丙烯液相烷基化催化性能
5.4.3 掺Ag对氧化锰八面体分子筛催化CO氧化性能的影响
5.5 TPR、TPO技术在催化剂氧化还原性能研究中的应用
5.5.1 CuO-CeO2催化剂中CuO物种的确认
5.5.2 Ce-Ti-O固溶体的氧化还原性能表征
5.5.3 PdO/CeO2催化剂的还原性能
5.5.4 V2O5/TiO2催化剂的氧化还原性能研究
5.5.5 钴/氧化铝催化剂表面积碳研究
5.6 TPSR技术在催化剂机理研究中的应用
第5章参考文献
第6章 拉曼光谱方法
6.1 拉曼光谱原理简述
6.1.1 拉曼光谱的发展历史
6.1.2 拉曼光谱的基本理论
6.1.3 荧光的发生机制
6.1.4 传统拉曼光谱遇到的困难和解决方法
6.2 拉曼光谱实验技术的发展
6.2.1 激光光源
6.2.2 外光路系统
6.2.3 样品池
6.2.4 单色仪
6.2.5 检测和记录系统
6.3 拉曼光谱在催化研究领域中的应用
6.3.1 金属氧化物催化剂
6.3.2 负载型金属氧化物催化剂
6.3.3 负载型金属硫化物
6.3.4 分子筛
6.3.5 表面吸附研究
6.3.6 原位反应研究
6.4 最新进展
6.4.1 共振拉曼光谱
6.4.2 傅里叶变换拉曼光谱
6.4.3 表面增强拉曼光谱
6.4.4 共焦显微拉曼光谱
6.4.5 紫外拉曼光谱
6.5 展望
第6章参考文献
第7章 原位红外光谱方法
7.1 红外光谱的基本原理和获取原位红外光谱的方法
7.1.1 透射红外吸收光谱
7.1.2 漫反射红外光谱
7.1.3 红外发射光谱
7.2 吸附分子的特征和它的红外光谱诠释
7.3 红外光谱应用于金属催化剂表征
7.3.1 催化剂表面组成的测定
7.3.2 几何效应和电子效应的研究
7.3.3 吸附分子相互作用研究
7.4 红外光谱方法应用于氧化物、分子筛催化剂的表征研究
7.4.1 体相氧化物的结构和活性相研究
7.4.2 表面羟基的研究
7.4.3 固体表面酸性的测定
7.4.4 氧化物表面氧物种研究和低碳烃的活化
7.4.5 室温下甲烷在Zn/ZSM-5上吸附、活化、反应研究
7.5 加氢精制催化剂活性相和助剂作用研究（硫化物催化剂）
7.5.1 MoO3/Al2O3的表面结构及状态
7.5.2 Co对Mo/Al2O3表面状态的影响
7.5.3 WO3/Al2O3的表面结构及状态
7.5.4 加氢脱硫催化剂活性相研究
7.6 原位红外光谱应用于反应机理的研究
7.6.1 HCOOH在Al2O3（ZnO）催化剂上的分解机理
7.6.2 利用DRIFT和TPSR技术研究甲醇的合成
7.6.3 甲醇合成中助剂乙醇的作用
7.7 红外合频技术用催化剂表征研究
第7章参考文献
第8章 核磁共振方法
8.1 固体高分辨核磁共振技术:MAS和CP/MASNMR
8.1.1 固体NMR的发展过程
8.1.2 MAS NMR
8.1.3 CP／MAS NMR实验
8.1.4 高功率1H去偶技术
8.2 分子筛结构的MAS NMR研究
8.2.1 29Si MAS NMR研究
8.2.2 27Al MAS NMR研究
8.2.3 17O MAS NMR谱
8.2.4 31P MAS NMR谱
8.2.5 47,49Ti MAS NMR
8.3 固体NMR在催化剂酸性研究中的应用
8.3.1 1H MAS NMR技术研究催化剂表面不同结构的OH基
8.3.2 酸强度测定
8.3.3 利用探针分子探测催化剂表面的Lewis酸中心
8.4 催化剂表面吸附分子的NMR研究
8.4.1 分子筛晶体孔道中吸附有机物的化学状态
8.4.2 分子筛吸附探针分子129Xe的NMR研究
8.5 分子筛和分子筛催化反应的原位MAS NMR研究
8.5.1 原位MAS NMR研究方法
8.5.2 原位MAS NMR研究催化反应机理
8.6 MAS NMR技术研究结炭引起的分子筛失活
8.6.1 13C MAS NMR研究分子筛结炭
8.6.2 29Si和27Al MAS NMR研究分子筛结炭
8.6.3 1H MAS NMR研究结炭
8.6.4 吸附氙的129Xe NMR研究结炭
8.7 结束语
第8章参考文献
第9章 X射线光电子能谱
9.1 X射线光电子能谱的进展
9.2 X射线光电子能谱原理简介
9.2.1 光电子能谱主峰
9.2.2 光电子能谱次峰
9.2.3 光电子能谱中的自旋轨道分裂峰
9.2.4 光电子能谱中的俄歇电子峰
9.2.5 光电子能谱中的震激峰
9.2.6 光电子能谱中的能量损失峰
9.2.7 光电子能谱中的价电子峰
9.2.8 光电子能谱中的X射线卫星峰
9.2.9 光电子能谱中的本底
9.2.10 弛豫效应
9.2.11 光电子能谱主峰的化学位移
9.3 X射线光电子能谱仪简介与实验技术
9.3.1 XPS能谱仪的结构简介
9.3.2 XPS能谱仪的实验技术
9.4 X射线光电子能谱的定性分析
9.5 X射线光电子能谱定量分析
9.6 XPS的应用
9.6.1 X射线光电子能谱在分子表面催化中的应用
9.6.2 X射线光电子能谱在表面薄膜中的应用
9.6.3 X射线光电子能谱在有机化合物和聚合物中的应用
9.6.4 X射线光电子能谱在生物科学中的应用
9.7 X射线光电子能谱的最新进展
第9章参考文献
第10章 多相催化反应动力学
10.1 一般动力学概念
10.1.1 化学计量方程和化学计量数
10.1.2 基元反应、反应途径和总包反应
10.1.3 反应度、反应速率、速率方程及动力学参数
10.1.4 转换数和转换频率
10.1.5 碰撞理论和过渡态理论
10.1.6 理想反应器中的反应速率
10.1.7 活塞流管式反应器中简单反应的积分式速率方程
10.1.8 复杂反应的速率方程及其解析
10.2 吸附和多相催化反应速率方程
10.2.1 吸附与吸附等温方程
10.2.2 速率控制步骤
10.2.3 双曲线式多相催化速率方程
10.2.4 幂式多相催化速率方程
10.3 多相催化动力学模型的建立和检验
10.3.1 催化动力学数据处理
10.3.2 动力学模型的线性和非线性回归分析
10.3.3 动力学数据回归分析实例
10.3.4 动力学模型判别准则与方法
10.3.5 非均匀表面上的催化动力学方程
10.4 多相催化中的传递过程
10.4.1 流体与催化剂外表面间的传递过程
10.4.2 简化的恒温粒内传质过程及对反应活化能和反应级数的影响
10.4.3 复杂情况下恒温粒内传质过程
10.4.4 非恒温反应中的有效因子
10.5 动力学测定方法和实验装置
10.5.1 实验室反应器
10.5.2 内扩散参数的测定
10.5.3 速率方程中吸附参数的测定——过渡应答法
10.5.4 本征动力学区的确定和排除传递过程干扰
10.6 非稳态催化过程动力学
10.6.1 积碳失活反应动力学
10.6.2 催化反应动力学中的多稳态与振荡
10.6.3 非稳态催化反应动力学方法——SSITKA
10.6.4 非稳态催化反应动力学方法——TAP
10.7 结论
第10章参考文献
附录1 质谱仪用于催化表征和反应物/产物研究
附录2 催化领域的期刊及会议论文集
京公网安备 11010102004214号