各类催化剂及其作用机理

1会计学各类催化剂及其作用机理各类催化剂及其作用机理1.固体酸碱的定义和分类固体酸碱的定义和分类n n固体酸：一般认为是能够化学吸固体酸：一般认为是能够化学吸附碱的固体，也可以了解为能够附碱的固体，也可以了解为能够使碱性指示剂在其上面改变颜色使碱性指示剂在其上面改变颜色的固体。固体酸又分为布朗斯特的固体。固体酸又分为布朗斯特（BrBr nstednsted）酸和路易斯（）酸和路易斯（LewisLewis）酸。前者简称为酸。前者简称为B B酸，后者简称为酸，后者简称为L L酸。酸。B B酸酸B B碱的定义为：能够给出碱的定义为：能够给出质子的都是酸，能够接受质子的质子的都是酸，能够接受质子的都是碱，所以都是碱，所以B B酸酸B B碱又叫质子酸碱又叫质子酸碱。碱。L L酸酸L L碱的定义为：能够接受碱的定义为：能够接受电子对的都是酸，能够给出电子电子对的都是酸，能够给出电子对的都是碱，所以对的都是碱，所以L L酸酸L L碱又叫非碱又叫非质子酸碱。质子酸碱。第1页/共145页2.固体酸碱的强度和酸碱量固体酸碱的强度和酸碱量n nB B酸强度，是指给出质子的能力；酸强度，是指给出质子的能力；L L酸强度是指接受电子对的能力。酸强度是指接受电子对的能力。酸强度通常用酸强度通常用HammeettHammeett函数函数HH0 0表表示，定义如下：示，定义如下：n n若一固体酸表面能够吸附一未解若一固体酸表面能够吸附一未解离的碱，并且将它转变为相应的离的碱，并且将它转变为相应的共轭酸，且转变是借助于质子自共轭酸，且转变是借助于质子自固体酸表面传递于吸附碱，即：固体酸表面传递于吸附碱，即：式中式中 B B a a和和 BHBH+a a分别为未解的碱分别为未解的碱（碱指示剂）和共轭酸的浓度。（碱指示剂）和共轭酸的浓度。pKpKa a是共轭酸是共轭酸BHBH+解离平衡常数的解离平衡常数的负对数，类似负对数，类似pHpH。若转变是借助。若转变是借助于吸附碱的电子对移向固体酸表于吸附碱的电子对移向固体酸表面，即面，即第2页/共145页n n式中式中 A A:B B 是吸附碱是吸附碱B B与电子对受体与电子对受体A A形成的络合物形成的络合物ABAB的浓度。的浓度。HH0 0越越小酸度越强。小酸度越强。n n 酸量：固体表面上的酸量，通酸量：固体表面上的酸量，通常表示为单位重量或单位表面积常表示为单位重量或单位表面积上酸位的毫摩尔数，即上酸位的毫摩尔数，即m mol/wm mol/wt t或或m mol/mm mol/m2 2。酸量也叫酸度，指酸的。酸量也叫酸度，指酸的浓度。浓度。n n固体碱的强度，定义为表面吸附固体碱的强度，定义为表面吸附的酸转变为共轭碱的能力，也定的酸转变为共轭碱的能力，也定义为表面给出电子对于吸附酸的义为表面给出电子对于吸附酸的能力。碱量的表示，用单位重量能力。碱量的表示，用单位重量或者单位表面积碱的毫摩尔数，或者单位表面积碱的毫摩尔数，即即m mol/wm mol/wt t或或m mol/mm mol/m2 2。碱量也叫碱。碱量也叫碱度，指碱中心的浓度。度，指碱中心的浓度。第3页/共145页n n酸碱对协同位：某些反应，已知酸碱对协同位：某些反应，已知虽由催化剂表面上的酸位所催化，虽由催化剂表面上的酸位所催化，但碱位或多或少地起一定的协同但碱位或多或少地起一定的协同作用。有这种酸作用。有这种酸-碱对协同位的催碱对协同位的催化剂，有时显示更好的活性，甚化剂，有时显示更好的活性，甚至其酸至其酸-碱强度比较单个酸位或碱碱强度比较单个酸位或碱位的强度更低。例如位的强度更低。例如ZrOZrO2 2是一种是一种弱酸和和弱碱，但分裂弱酸和和弱碱，但分裂C-HC-H的键的的键的活性，较更强酸性的活性，较更强酸性的SiOSiO2 2-Al-Al2 2OO3 3高，高，也较更强碱性的也较更强碱性的MgOMgO高。这种酸高。这种酸位和碱位协同作用，对于某些特位和碱位协同作用，对于某些特定的反应是很有利的，因而具有定的反应是很有利的，因而具有更高的选择性。这类催化剂叫酸更高的选择性。这类催化剂叫酸碱双功能催化剂。碱双功能催化剂。第4页/共145页n n固体超强酸和超强碱：固体酸的强度若超过100%硫酸的强度，则称之为超强酸。因为100%硫酸的酸强度用Hammeett酸强度函数表示时为H0=-11.9，故固体酸强度H0 k k-1-1c cA A-，即，即k k2 2c cHH+k k-1 1K KHAHAc cHAHA，中间物反应极快，中间物反应极快n n (6.1.8)(6.1.8)n n反应由步骤反应由步骤1 1控制，速率正比于广控制，速率正比于广义酸的浓度，是所谓广义酸催化。义酸的浓度，是所谓广义酸催化。n n若若k k2 2 k k-1-1c cA A-，中间物反应极慢，中间物反应极慢，反应由步骤反应由步骤2 2控制，速率正比于氢控制，速率正比于氢离浓度，是所谓氢离子催化。在离浓度，是所谓氢离子催化。在一定一定pHpH下为一级反应，蔗糖在稀下为一级反应，蔗糖在稀酸溶液中水解即为例。酸溶液中水解即为例。n n 第13页/共145页n n 更广泛的说，广义酸HA和氢离子H+都有影响，广义碱A-和氢氧离子OH-也有作用，乃至没有酸碱催化剂时，反应也能有一定程度进行。速率常数可以更一般的表达为n n式中即非催化反应，相当于式（6.1.9）中 的，相 当 于 式（6.1.8）中的。整个反应速率则为n n在研究多相酸碱催化反应机理和速率方程时，上述分析和推导可以提供借鉴作用。第14页/共145页6.2 分子筛催化剂分子筛催化剂n n1.1.分子筛的概念分子筛的概念n n分子筛是结晶型的硅铝酸盐，具有均分子筛是结晶型的硅铝酸盐，具有均匀的孔隙结构。分子筛中含有大量的匀的孔隙结构。分子筛中含有大量的结晶水，加热时可汽化除去，故又称结晶水，加热时可汽化除去，故又称沸石。自然界存在的常称沸石，人工沸石。自然界存在的常称沸石，人工合成的称为分子筛。它们的化学组成合成的称为分子筛。它们的化学组成可表示为可表示为n nMMx/nx/n(AlO(AlO2 2)x x(SiO(SiO2 2)y y ZH ZH2 2OOn n式中式中MM是金属阳离子，是金属阳离子，n n是它的价数，是它的价数，x x是是AlOAlO2 2的分子数，的分子数，y y是是SiOSiO2 2分子数，分子数，Z Z是水分子数，因为是水分子数，因为AlOAlO2 2带负电荷，金带负电荷，金属阳离子的存在可使分子筛保持电中属阳离子的存在可使分子筛保持电中性。当金属离子的化合价性。当金属离子的化合价n n=1=1时，时，MM的原子数等于的原子数等于AlAl的原子数；若的原子数；若n n=2=2，MM的原子数为的原子数为AlAl原子数的一半。原子数的一半。第15页/共145页n n常用的分子筛主要有：方钠型沸石，如A型分子筛；八面型沸石，如X-型，Y-型分子筛；丝光型沸石（-M型）；高硅型沸石，如ZSM-5等。分子筛在各种不同的酸性催化剂中能够提供很高的活性和不寻常的选择性，且绝大多数反应是由分子筛的酸性引起的，也属于固体酸类。近20年来在工业上得到了广泛应用，尤其在炼油工业和石油化工中作为工业催化剂占有重要地位。第16页/共145页2.分子筛的结构特征分子筛的结构特征（1）四个方面、三种）四个方面、三种层次：层次：n n分子筛的结构特征可以分为四个方面、分子筛的结构特征可以分为四个方面、三种不同的结构层次。第一个结构层三种不同的结构层次。第一个结构层次也就是最基本的结构单元硅氧四面次也就是最基本的结构单元硅氧四面体（体（SiOSiO4 4）和铝氧四面体（）和铝氧四面体（AlOAlO4 4），），它们构成分子筛的骨架。相邻的四面它们构成分子筛的骨架。相邻的四面体由氧桥连结成环。环是分子筛结构体由氧桥连结成环。环是分子筛结构的第二个层次，按成环的氧原子数划的第二个层次，按成环的氧原子数划分，有四元氧环、五元氧环、六元氧分，有四元氧环、五元氧环、六元氧环、八元氧环、十元氧环和十二元氧环、八元氧环、十元氧环和十二元氧环等。环是分子筛的通道孔口，对通环等。环是分子筛的通道孔口，对通过分子起着筛分作用。氧环通过氧桥过分子起着筛分作用。氧环通过氧桥相互联结，形成具有三维空间的多面相互联结，形成具有三维空间的多面体。各种各样的多面体是分子筛结构体。各种各样的多面体是分子筛结构的第三个层次。多面体有中空的笼，的第三个层次。多面体有中空的笼，笼是分子筛结构的重要特征。笼分为笼是分子筛结构的重要特征。笼分为 笼，八面沸石笼，笼，八面沸石笼，笼和笼和 笼等。笼等。第17页/共145页（2）分子筛的笼：）分子筛的笼：n n 笼：是笼：是A A型分子筛骨架结构的主型分子筛骨架结构的主要孔穴，它是由要孔穴，它是由1212个四元环，个四元环，8 8个个六元环及六元环及6 6个八元环组成的二十六个八元环组成的二十六面体。笼的平均孔径为面体。笼的平均孔径为1.141.14nmnm，空，空腔体积为腔体积为760760 3 3。笼的最大窗孔笼的最大窗孔为八元环，孔径为八元环，孔径0.41nm0.41nm。n n八面沸石笼：是构成八面沸石笼：是构成X X-型和型和Y Y-型分型分子筛骨架的主要孔穴，由子筛骨架的主要孔穴，由1818个四个四元环、元环、4 4个六元环和个六元环和4 4个十二元环个十二元环组成的二十六面体，笼的平均孔组成的二十六面体，笼的平均孔径为径为1.25nm1.25nm，空腔体积为，空腔体积为850850 3 3。最大孔窗为十二元环，孔径最大孔窗为十二元环，孔径0.74nm0.74nm。八面沸石笼也称超笼。八面沸石笼也称超笼。第18页/共145页n n笼：主要用于构成A型、X-型和Y型分子筛的骨架结构，是最重要的一种孔穴，它的形状宛如有关削顶的正八面体，空腔体积为1603，窗口孔径为约0.66nm，只允许NH3、H2O等尺寸较小的分子进入。n n此外还有六方柱笼和笼，这两种笼体积较小，一般分子进不到笼里去。n n不同结构的笼再通过氧桥互相联结形成各种不同结构的分子筛，主要有A-型、X型和Y型。第19页/共145页（3）几种具有代表性的分子筛）几种具有代表性的分子筛n nA A型分子筛型分子筛n n类似于类似于NaClNaCl的立方晶系结构。若的立方晶系结构。若将将NaClNaCl晶格中的晶格中的NaNa+和和ClCl-全部换成全部换成 笼，并将相邻的笼，并将相邻的 笼用笼用 笼联结起笼联结起来就得到来就得到A A-型分子筛的晶体结构。型分子筛的晶体结构。8 8个个 笼联结后形成一个方钠石结构，笼联结后形成一个方钠石结构，如用如用 笼做桥联结，就得到笼做桥联结，就得到A A-型分型分子筛结构。中心有一个大的子筛结构。中心有一个大的 的笼。的笼。笼之间通道有一个八元环窗口，笼之间通道有一个八元环窗口，其直径为其直径为4 4，故称，故称4 4A A分子筛。若分子筛。若4 4A A分子筛上分子筛上70%70%的的NaNa+为为CaCa2+2+交换，交换，八元环可增至八元环可增至5 5，对应的沸石称，对应的沸石称5 5A A分子筛。反之，若分子筛。反之，若70%70%的的NaNa+为为K K+交换，八元环孔径缩小到交换，八元环孔径缩小到3 3，对应的沸石称对应的沸石称3 3A A分子筛。分子筛。第20页/共145页n nX X-型和型和Y Y-型分子筛型分子筛n n类似金刚石的密堆六方晶系结构。类似金刚石的密堆六方晶系结构。若以若以 笼为结构单元，取代金刚石笼为结构单元，取代金刚石的碳原子结点，且用六方柱笼将的碳原子结点，且用六方柱笼将相邻的两个相邻的两个 笼联结，即用笼联结，即用4 4个六方个六方柱笼将柱笼将5 5个个 笼联结一起，其中一个笼联结一起，其中一个 笼居中心，其余笼居中心，其余4 4个个 笼位于正四笼位于正四面体顶点，就形成了八面体沸石面体顶点，就形成了八面体沸石型的晶体结构。用这种结构继续型的晶体结构。用这种结构继续连结下去，就得到连结下去，就得到X X-型和型和Y Y型分子型分子筛结构。在这种结构中，由筛结构。在这种结构中，由 笼和笼和六方柱笼形成的大笼为八面沸石六方柱笼形成的大笼为八面沸石笼，它们相通的窗孔为十二元环，笼，它们相通的窗孔为十二元环，其平均有效孔径为其平均有效孔径为0.74nm0.74nm，这就是，这就是X X-型和型和Y Y-型分子筛的孔径。这两种型分子筛的孔径。这两种型号彼此间的差异主要是型号彼此间的差异主要是Si/AlSi/Al比比不同，不同，X X-型为型为11.511.5；Y Y型为型为1.53.01.53.0。第21页/共145页n n丝光沸石型分子筛n n这种沸石的结构，没有笼而是层状结构。结构中含有大量的五元环，且成对地联系在一起，每对五元环通过氧桥再与另一对联结。联结处形成四元环。这种结构单元进一步联结形成层状结构。层中有八元环和十二元环，后者呈椭圆形，平均直径0.74nm，是丝光沸石的主孔道。这种孔道是一维的，即直通道。第22页/共145页n n高硅沸石高硅沸石ZSMZSM（Zeolite Socony Zeolite Socony MobilMobil）型分子筛）型分子筛n n这种沸石有一个系列，广泛应用这种沸石有一个系列，广泛应用的为的为ZSM-5ZSM-5，与之结构相同的有，与之结构相同的有ZSM-8ZSM-8和和ZSM-11ZSM-11；另一组为；另一组为ZSMZSM-2121、ZSM-35ZSM-35和和ZSM-38ZSM-38等。等。ZSM-5ZSM-5常称为高硅型沸石，其常称为高硅型沸石，其Si/AlSi/Al比可比可高达高达5050以上，以上，ZSM-8ZSM-8可高达可高达100100，这组分子筛还显出憎水的特性。这组分子筛还显出憎水的特性。它们的结构单元与丝光沸石相似，它们的结构单元与丝光沸石相似，由成对的五元环组成，无笼状空由成对的五元环组成，无笼状空腔，只有通道。腔，只有通道。ZSM-5ZSM-5有两组交叉有两组交叉的通道，一种为直通的，另一种的通道，一种为直通的，另一种为之字型相互垂直，都由十元环为之字型相互垂直，都由十元环形成。通道呈椭圆形，其窗口直形成。通道呈椭圆形，其窗口直径为（径为（0.55-0.600.55-0.60）nmnm。属于高硅族。属于高硅族的沸石还有全硅型的的沸石还有全硅型的Silicalite-1Silicalite-1，结，结构与构与ZSM-5ZSM-5一样，一样，Silicalite-2Silicalite-2与与ZSM-11ZSM-11一样。一样。第23页/共145页n n磷酸铝系分子筛n n该系沸石是继60年代Y-型分子筛，70年代ZSM-5型高硅分子筛之后，于80年代出现的第三代新型分子筛。包括大孔的AlPO-5（0.1-0.8nm），中孔的AlPO-11（0.6nm）和小孔的AlPO-34（0.4nm）等结构及MAPO-n系列和AlPO径经Si化学改性成的SAPO系列等。第24页/共145页n n4.4.分子筛催化剂的催化作用机理分子筛催化剂的催化作用机理n n分子筛具有明确的孔腔分布，极高的分子筛具有明确的孔腔分布，极高的内表面积（内表面积（600m600m2 2/s/s）良好的热稳定性）良好的热稳定性（10001000），可调变的酸位中心。分），可调变的酸位中心。分子筛酸性主要来源于骨架上和孔隙中子筛酸性主要来源于骨架上和孔隙中的三配位的铝原子和铝离子的三配位的铝原子和铝离子(AlO)(AlO)+。经离子交换得到的分子筛经离子交换得到的分子筛HYHY上的上的OHOH基显酸位中心，骨架外的铝离子会强基显酸位中心，骨架外的铝离子会强化酸位，形成化酸位，形成L L酸位中心。像酸位中心。像CaCa2+2+、MgMg2+2+、LaLa3+3+等多价阳离子经交换后可等多价阳离子经交换后可以显示酸位中心。以显示酸位中心。CuCu2+2+、AgAg+等过渡等过渡金属离子还原也能形成酸位中心。一金属离子还原也能形成酸位中心。一般来说般来说Al/SiAl/Si比越高，比越高，OHOH基的比活性基的比活性越高。分子筛酸性的调变可通过稀盐越高。分子筛酸性的调变可通过稀盐酸直接交换将质子引入。由于这种办酸直接交换将质子引入。由于这种办法常导致分子筛骨架脱铝。所以法常导致分子筛骨架脱铝。所以NaYNaY要变成要变成NHNH4 4Y Y，然后再变为，然后再变为HYHY。第25页/共145页（1）分子筛具择形催化的性质）分子筛具择形催化的性质n n因为分子筛结构中有均匀的小内孔，当反应物和产物的分子线度与晶内的孔径相接近时，催化反应的选择性常取决于分子与孔径的相应大小。这种选择性称之为择形催化。导致择形选择性的机理有两种，一种是由孔腔中参与反应的分子的扩散系数差别引起的，称为质量传递选择性；另一种是由催化反应过渡态空间限制引起的，称为过渡态选择性。择形催化有4种形式：第26页/共145页n n反应物择形催化n n当反应混合物中某些能反应的分子因太大而不能扩散进入催化剂孔腔内，只有那些直径小于内孔径的分子才能进入内孔，在催化活性部分进行反应。n n产物的择形催化n n当产物混合物中某些分子太大，难于从分子筛催化剂的内孔窗口扩散出来，就形成了产物的择形选择性。第27页/共145页n n过渡态限制的选择性过渡态限制的选择性n n有些反应，其反应物分子和产物有些反应，其反应物分子和产物分子都不受催化剂窗口孔径扩散分子都不受催化剂窗口孔径扩散的限制，只是由于需要内孔或笼的限制，只是由于需要内孔或笼腔有较大的空间，才能形成相应腔有较大的空间，才能形成相应的过渡态，不然就受到限制使该的过渡态，不然就受到限制使该反应无法进行；相反，有些反应反应无法进行；相反，有些反应只需要较小空间的过渡态就不受只需要较小空间的过渡态就不受这种限制，这就构成了限制过渡这种限制，这就构成了限制过渡态的择形催化。态的择形催化。n nZSMZSM-5-5常用于这种过渡态选择性的常用于这种过渡态选择性的催化反应，最大优点是阻止结焦。催化反应，最大优点是阻止结焦。因为因为ZSMZSM-5-5较其他分子筛具有较小较其他分子筛具有较小的内孔，不利于焦生成的前驱物的内孔，不利于焦生成的前驱物聚合反应需要的大的过渡态形成。聚合反应需要的大的过渡态形成。因而比别的分子筛和无定形催化因而比别的分子筛和无定形催化剂具有更长的寿命。剂具有更长的寿命。第28页/共145页n n分子交通控制的择形催化n n在具有两种不同形状和大小和孔道分子筛中，反应物分子可以很容易地通过一种孔道进入到催化剂的活性部位，进行催化反应，而产物分子则从另一孔道扩散出去，尽可能地减少逆扩散，从面增加反应速率。这种分子交通控制的催化反应，是一种特殊形式的择形选择性，称分子交通控制择形催化。第29页/共145页（2）择形选择性的调变）择形选择性的调变n n可以通过毒化外表面活性中心；修饰窗孔入口的大小，常用的修饰剂为四乙基原硅酸酯；也可改变晶粒大小等。n n择形催化最大的实用价值，在于利用它表征孔结构的不同，是区别酸性分子筛的方法之一。择形催化在炼油工艺和石油工业生产中取得了广泛的应用，如分子筛脱腊、择形异构化、择形重整、甲醇合成汽油、甲醇制乙烯、芳烃择形烷基化等。第30页/共145页6.3 金属催化剂及其催化剂作用金属催化剂及其催化剂作用机理机理n n1.金属催化剂概述n n金属催化剂是一类重要的工业催化剂。主要包括块状催化剂，如电解银催化剂、融铁催化剂、铂网催化剂等；分散或者负载型的金属催化剂，如Pt-Re/-Al2O3重整催化剂，Ni/Al2O3加氢催化剂等；第31页/共145页6.3 金属催化剂及其催化剂作用金属催化剂及其催化剂作用机理机理n n金属互化物催化剂，如LaNi5可催化合成气转化为烃，是70年代开发的一类新型催化剂，也是磁性材料、储氢材料；金属簇状物催化剂，如烯烃氢醛化制羰基化合物的多核Fe3(CO)12催化剂，至少要有两个以上的金属原子，以满足催化剂活化引发所必需。这5类金属催化剂中，前两类是主要的，后三类在20世纪70年代以来有新的发展。第32页/共145页n n几乎所有的金属催化剂都是过渡几乎所有的金属催化剂都是过渡金属，这与金属的结构、表面化金属，这与金属的结构、表面化学键有关。金属适合于作哪种类学键有关。金属适合于作哪种类型的催化剂，要看其对反应物的型的催化剂，要看其对反应物的相容性。发生催化反应时，催化相容性。发生催化反应时，催化剂与反应物要相互作用。除表面剂与反应物要相互作用。除表面外，不深入到体内，此即相容性。外，不深入到体内，此即相容性。如过渡金属是很好的加氢、脱氢如过渡金属是很好的加氢、脱氢催化剂，因为催化剂，因为H H2 2很容易在其表面很容易在其表面吸附，反应不进行到表层以下。吸附，反应不进行到表层以下。但只有但只有“贵金属贵金属”（PdPd、PtPt，也有，也有AgAg）可作氧化反应催化剂，因为）可作氧化反应催化剂，因为它们在相应温度下能抗拒氧化。它们在相应温度下能抗拒氧化。故对金属催化剂的深入认识，要故对金属催化剂的深入认识，要了解其吸附性能和化学键特性。了解其吸附性能和化学键特性。第33页/共145页2金属和金属表面的化学键金属和金属表面的化学键n n研究金属化学键的理论方法有三：能带理论、价键理论和配位场理论，各自从不同的角度来说明金属化学键的特征，每一种理论都提供了一些有用的概念。三种理论，都可用特定的参量与金属的化学吸附和催化性能相关联，它们是相辅相成的。第34页/共145页（1）金属电子结构的能带模型和金属电子结构的能带模型和“d带空穴带空穴”概念概念n n金属晶格中每一个电子占用一个金属晶格中每一个电子占用一个“金金属轨道属轨道”。每个轨道在金属晶体场内。每个轨道在金属晶体场内有自己的能级。由于有有自己的能级。由于有NN个轨道，且个轨道，且NN很大，因此这些能级是连续的。由很大，因此这些能级是连续的。由于轨道相互作用，能级一分为二，故于轨道相互作用，能级一分为二，故NN个金属轨道会形成个金属轨道会形成2 2NN个能级。电子个能级。电子占用能级时遵从能量最低原则和占用能级时遵从能量最低原则和PauliPauli原则（即电子配对占用）。故在绝对原则（即电子配对占用）。故在绝对零度下，电子成对从最低能级开始一零度下，电子成对从最低能级开始一直向上填充，只有一半的能级有电子，直向上填充，只有一半的能级有电子，称为满带，能级高的一半能级没有电称为满带，能级高的一半能级没有电子，叫空带。空带和满带的分界处，子，叫空带。空带和满带的分界处，即电子占用的最高能级称为费米即电子占用的最高能级称为费米（FermiFermi）能级。）能级。第35页/共145页n ns s轨道形成轨道形成s s带，带，d d轨道组成轨道组成d d带，带，s s带带和和d d带之间有交迭。这种情况对于带之间有交迭。这种情况对于过渡金属特别如此，也十分重要。过渡金属特别如此，也十分重要。s s能级为单重态，只能容纳能级为单重态，只能容纳2 2个电子；个电子；d d能级为能级为5 5重简并态，可以容纳重简并态，可以容纳1010个个电子。如铜的电子组态为电子。如铜的电子组态为Cu(3Cu(3d d1010)(4)(4s s1 1)，故金属铜中，故金属铜中d d带电带电子是充满的，为满带；而子是充满的，为满带；而s s带只占带只占用一半。镍原子的电子组态为用一半。镍原子的电子组态为Ni Ni(3(3d d5 5)(4)(4s s2 2)，故金属镍的，故金属镍的d d带中某些带中某些能级未被充满，称为能级未被充满，称为“d d带空穴带空穴”。“d d带空穴带空穴”的概念对于理解过渡的概念对于理解过渡金属的化学吸附和催化作用是至金属的化学吸附和催化作用是至关重要的，因为一个能带电子全关重要的，因为一个能带电子全充满时，它就难于成键了。充满时，它就难于成键了。第36页/共145页（2）价键模型和）价键模型和d特性百分数特性百分数（d%）的概念）的概念 n n价键理论认为，过渡金属原子以杂化轨道相结合。杂化轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合，称之为spd或dsp杂化。杂化轨道中d原子轨道所占的百分数称为d特性百分数，用符号d%表示。它是价键理论用以关联金属催化活性和其他物性的一个特性参数。第37页/共145页n n金属d%越大，相应的d能带中的电子填充越多，d空穴就越少。d%和d空穴是从不同角度反映金属电子结构的参量，且是相反的电子结构表征。它们分别与金属催化剂的化学吸附和催化活性有某种关联。就广为应用的金属加氢催化剂来说，d%在4050%为宜。第38页/共145页(3)配位场模型配位场模型n n借用络合物化学中键合处理的配位场概念。在孤立的金属原子中，5个d轨道能级简并，引入面心立方的正八面体对称配位场后，简并能级发生分裂，分成t2g轨道和eg轨道。前者包括dxy、dxz和dyz，后者包括和。d能带以类似的形式在配位场中分裂成t2g能带和eg能带。eg能带高，t2g能带低。第39页/共145页n n因为它们具有空间指向性，所以因为它们具有空间指向性，所以表面金属原子的成键具有明显的表面金属原子的成键具有明显的定域性。这些轨道以不同的角度定域性。这些轨道以不同的角度与表面相交，这种差别会影响到与表面相交，这种差别会影响到轨道健合的有效性。用这种模型，轨道健合的有效性。用这种模型，原则上可以解释金属表面的化学原则上可以解释金属表面的化学吸附。不仅如此，它还能解释不吸附。不仅如此，它还能解释不同晶面之间化学活性的差别；不同晶面之间化学活性的差别；不同金属间的模式差别和合金效应。同金属间的模式差别和合金效应。如吸附热随覆盖度增加而下降，如吸附热随覆盖度增加而下降，最满意的解释是吸附位的非均一最满意的解释是吸附位的非均一性，这与定域键合模型的观点一性，这与定域键合模型的观点一致。致。FeFe催化剂的不同晶面对催化剂的不同晶面对NH3NH3合成的活性不同，如以合成的活性不同，如以110110晶面晶面的活性为的活性为1 1，则，则100100晶面的活性为晶面的活性为它的它的2121倍；而倍；而111111晶面的活性更高，晶面的活性更高，为它的为它的440440倍。这已为实验所证实。倍。这已为实验所证实。第40页/共145页3金属的体相结构、表面结构、晶格缺陷金属的体相结构、表面结构、晶格缺陷与位错与位错（1）金属的体相结构）金属的体相结构n n除少数金属外，几乎所有的金属都分属于三种晶除少数金属外，几乎所有的金属都分属于三种晶体结构，即面心立方晶格（体结构，即面心立方晶格（F.C.C.F.C.C.），体心立方晶），体心立方晶格（格（B.C.C.B.C.C.）和六方密堆晶格（）和六方密堆晶格（H.C.P.H.C.P.）。三种晶）。三种晶格的一些结构参数列于表格的一些结构参数列于表6.3.16.3.1n n晶体可以理解成不同的晶面。例如金属晶体可以理解成不同的晶面。例如金属FeFe的体心的体心立方晶格，有（立方晶格，有（100100）、（）、（110110）、（）、（111111）晶面。）晶面。不同晶面上金属原子的几何排布是不相同的，原不同晶面上金属原子的几何排布是不相同的，原子间距也是不相等的，见图子间距也是不相等的，见图6.3.16.3.1和图和图6.3.26.3.2。第41页/共145页（2）金属的表面结构）金属的表面结构n n表面上的原子排列与体相的相近，表面上的原子排列与体相的相近，原子间距也大致相等。由于紧密原子间距也大致相等。由于紧密堆积在热力学上最为有利，暴露堆积在热力学上最为有利，暴露于表面上的金属原子，往往形成于表面上的金属原子，往往形成晶面指数低的面，即表面晶胞结晶面指数低的面，即表面晶胞结构为（构为（1 1 1 1）的低指数面热力学才）的低指数面热力学才是稳定结构。是稳定结构。n n金属表面暴露在气氛中，总会发金属表面暴露在气氛中，总会发生吸附现象。在大多数情况下，生吸附现象。在大多数情况下，表面上总是覆盖上接近吸附层的表面上总是覆盖上接近吸附层的吸附质。若气体分子与表面原子吸附质。若气体分子与表面原子是一对一的吸附，则吸附质的排是一对一的吸附，则吸附质的排列与底层结构相同，其它吸附层列与底层结构相同，其它吸附层在表面的排列还有更复杂的结构。在表面的排列还有更复杂的结构。第42页/共145页（3）晶格缺陷）晶格缺陷n n一个真实的晶体总有一种或多种结构上的缺陷。晶格缺陷主要有点缺陷和线缺陷，此外还有面缺陷。内部缺陷的存在将会引起晶格的畸变，还会引起附加能级的出现。n n点缺陷：又可进一步区分为Schottky缺陷和Frenkel缺陷两种。前者是指一个金属原子缺位，原来的金属原子迁移到表面上去了；后者是由一个原子缺位和一个间隙原子组成。第43页/共145页n n位错：位错即线缺陷，涉及一条原子线的偏离；当原子面在相互滑动过程中，已滑动与未滑动区域之间必然有一分界线，这条线就是位错。位错有两种基本类型，即边位错和螺旋位错。边位错是两个原子面的相对平移，结果是在一个完整的晶格上附加了半个原子面。边位错线上的每个格子点（分子、原子或离子），面对一个间隙，取代了邻近的格子点。杂质原子就易于在此间隙处富集。第44页/共145页n n螺旋位错有一螺旋轴，它与位错线相平行，它是由于晶体割裂过程中的剪切力造成的。如此一来，晶体中原来彼此平行的晶面变得参差不齐，好象一个螺旋体。真实晶体中出现的位错，多是上述两类位错的混合体，并趋向于形成环的形式。一种多物质常由许多种微晶、且以不同的取向组合而成，组合的界面就是位错。第45页/共145页n n堆垛层错与颗粒边界堆垛层错与颗粒边界：堆垛层错：堆垛层错又叫面位错，是由于晶位的错配又叫面位错，是由于晶位的错配和误位所造成。对于一个面心立和误位所造成。对于一个面心立方的理想晶格，其晶面就为方的理想晶格，其晶面就为ABC ABC ABC ABCABC ABC的顺序排列。如果其中的顺序排列。如果其中少一个少一个A A面，或多一个面，或多一个A A面，或多面，或多半个半个A A面从而造成面位错。对于六面从而造成面位错。对于六方密堆晶格，理想排列为方密堆晶格，理想排列为AB AB AB AB ABAB顺序，可能因缺面而造成堆垛顺序，可能因缺面而造成堆垛层错。任何实际晶体，常由多块层错。任何实际晶体，常由多块小晶粒拼嵌而成。小晶粒中部的小晶粒拼嵌而成。小晶粒中部的格子是完整的，而界区则是非规格子是完整的，而界区则是非规则的。边缘区原子排列不规则，则的。边缘区原子排列不规则，故颗粒边界常构成面缺陷。故颗粒边界常构成面缺陷。第46页/共145页（4）晶格的不规整性）晶格的不规整性与多相催化中的补偿效与多相催化中的补偿效应和应和“超活性超活性”n n晶格缺陷与位错都造成了晶格的多种晶格缺陷与位错都造成了晶格的多种不规整性。晶体的不规整性对金属表不规整性。晶体的不规整性对金属表面的化学吸附、催化活性、电导作用面的化学吸附、催化活性、电导作用和传递过程等，起着极为重要的作用。和传递过程等，起着极为重要的作用。晶格的不规整性往往与催化活性中心晶格的不规整性往往与催化活性中心密切相关。至少有两点理由可以确信，密切相关。至少有两点理由可以确信，晶格不规整性关联到表面催化的活性晶格不规整性关联到表面催化的活性中心。其一是显现位错处和表面点缺中心。其一是显现位错处和表面点缺陷区，催化剂原子的几何排列与表面陷区，催化剂原子的几何排列与表面其他部分不同，而表面原子间距结合其他部分不同，而表面原子间距结合立体化学特性，对决定催化活性是重立体化学特性，对决定催化活性是重要的因素；边位错和螺旋位错有利于要的因素；边位错和螺旋位错有利于催化化反应的进行。其二是晶格不规催化化反应的进行。其二是晶格不规整处的电子因素促使有更高的催化活整处的电子因素促使有更高的催化活性，因为与位错和缺陷相联系的表面性，因为与位错和缺陷相联系的表面点，能够发生固体电子性能的修饰。点，能够发生固体电子性能的修饰。第47页/共145页位错作用与补偿效应位错作用与补偿效应n n补偿效应（The compensation effect）是多相催化中普遍存在的现象。在多相催化反应的速率方程中，随着指前因子A的增加，总是伴随活化能E的增加，这就是补偿效应。对于补偿效应的合理解释，其原因来源于位错和缺陷的综合结果，点缺陷的增加，更主要是位错作用承担了表面催化活性中心。第48页/共145页点缺陷与金属的点缺陷与金属的“超活性超活性”n n金属丝催化剂，在高温下的催化活性，与其发生金属丝催化剂，在高温下的催化活性，与其发生急剧闪蒸后有明显的差别。急剧闪蒸前显正常的急剧闪蒸后有明显的差别。急剧闪蒸前显正常的催化活性，高温闪蒸后，催化活性，高温闪蒸后，CuCu、NiNi等金属丝催化剂等金属丝催化剂显出显出“超活性超活性”，约以，约以10105 5倍增加。这是因为，高倍增加。这是因为，高温闪蒸后，金属丝表面形成高度非平衡的点缺陷温闪蒸后，金属丝表面形成高度非平衡的点缺陷浓度，这对产生催化的浓度，这对产生催化的“超活性超活性”十分重要。如十分重要。如果此时将它冷却加工，就会导致空位的扩散和表果此时将它冷却加工，就会导致空位的扩散和表面原子的迅速迁移，导致面原子的迅速迁移，导致“超活性超活性”的急剧消失。的急剧消失。第49页/共145页4 4 金属催化剂催化活性的经验规则金属催化剂催化活性的经验规则金属催化剂催化活性的经验规则金属催化剂催化活性的经验规则（1 1）d d带空穴与催化剂活性带空穴与催化剂活性带空穴与催化剂活性带空穴与催化剂活性n n金属能带模型提供了金属能带模型提供了d d带空穴概念，并将它与催化带空穴概念，并将它与催化活性关联起来。活性关联起来。d d空穴越多，空穴越多，d d能带中未占用的能带中未占用的d d电电子或空轨道越多，磁化率会越大。磁化率与金属子或空轨道越多，磁化率会越大。磁化率与金属催化活性有一定关系，随金属和合金的结构以及催化活性有一定关系，随金属和合金的结构以及负载情况而不同。从催化反应的角度看，负载情况而不同。从催化反应的角度看，d d带空穴带空穴的存在，使之有从外界接受电子和吸附物种并与的存在，使之有从外界接受电子和吸附物种并与之成键的能力。但也不是之成键的能力。但也不是d d带空穴越多，其催化活带空穴越多，其催化活性就越大。因为过多可能造成吸附太强，不利于性就越大。因为过多可能造成吸附太强，不利于催化反应。催化反应。第50页/共145页n n例如，例如，NiNi催化苯加氢制环己烷，催化苯加氢制环己烷，催化活性很高。催化活性很高。NiNi的的d d带空穴为带空穴为0.60.6（与磁矩对应的数值，不是与（与磁矩对应的数值，不是与电子对应的数值）。若用电子对应的数值）。若用Ni-CuNi-Cu合合金则催化活性明显下降，因为金则催化活性明显下降，因为CuCu的的d d带空穴为零，形成合金时带空穴为零，形成合金时d d电子电子从从CuCu流向流向NiNi，使，使NiNi的的d d空穴减少，空穴减少，造成加氢活性下降。又如造成加氢活性下降。又如NiNi催化催化氢化苯乙烯制备乙苯，有较好的氢化苯乙烯制备乙苯，有较好的催化活性。如用催化活性。如用Ni-FeNi-Fe合金代替金合金代替金属属NiNi，加氢活性下降。但，加氢活性下降。但FeFe是是d d空空穴较多的金属，为穴较多的金属，为2.22.2。形成合金。形成合金时，时，d d电子从电子从NiNi流向流向FeFe，增加，增加NiNi的的d d带空穴。这说明带空穴。这说明d d带空穴不是越多带空穴不是越多越好。越好。第51页/共145页（2）d%与催化活性与催化活性n n金属的价键模型提供了d%的概念。d%与金属催化活性的关系，实验研究得出，各种不同金属催化同位素（H2和D2）交换反应的速率常数，与对应的d%有较好的线性关系。但尽管如此，d%主要是一个经验参量。第52页/共145页n nd%不仅以电子因素关系金属催化剂的活性，而且还可以控制原子间距或格子空间的几何因素去关联。因为金属晶格的单键原子半径与d%有直接的关系，电子因素不仅影响到原子间距，还会影响到其他性质。一般d%可用于解释多晶催化剂的活性大小，而不能说明不同晶面上的活性差别。第53页/共145页（3）晶格间距与催化活性）晶格间距与催化活性多位理论多位理论n n晶格间距对于了解金属催化活性有一定的重要性。晶格间距对于了解金属催化活性有一定的重要性。不同的晶面取向，具有不同的原子间距。不同的不同的晶面取向，具有不同的原子间距。不同的晶格结构，有不同的晶格参数。实验发现，用不晶格结构，有不同的晶格参数。实验发现，用不同的金属膜催化乙烯加氢，其催化活性与晶格间同的金属膜催化乙烯加氢，其催化活性与晶格间距有一定关系。距有一定关系。FeFe、TaTa、WW等体心晶格金属，取等体心晶格金属，取110110面的原子间距作晶格参数。活性最高的金属面的原子间距作晶格参数。活性最高的金属为为RhRh，其晶格间距为，其晶格间距为0.375nm0.375nm。这种结果与以。这种结果与以d d%表表达的结果除达的结果除WW外都完全一致。外都完全一致。第54页/共145页n n多位理论的中心思想是：一个催化剂的活性，在很大程度上取决于存在有正确的原子空间群晶格，以便聚集反应物分子和产物分子。多位理论是由前苏联科学家巴兰金提出的，对于解释某些金属催化剂加氢和脱氢的反应有较好的效果。以苯加氢和环己烷脱氢为例，只有原子的排列呈六角形，且原子间距为（0.240.28）nm的金属才有催化活性，Pt、Pd、Ni金属符合这种要求，是良好的催化剂，而Fe、Th、Ca就不是。第55页/共145页n n应当指出的是，晶格间距表达的只是催化剂体系所需要的某种几何参数而已，反映的是静态过程。现代表面技术的研究表明，金属的催化剂活性，实际上反映的是反应区间的动态过程。低能电子衍射（LEED）技术和透射电子显微镜（TEM）对固体表面的研究发现，金属吸附气体后表面会发生重排，表面进行催化反应时也有类似现象，有的还发生原子迁移和原子间距增大等。第56页/共145页（4）表面在原子水平上的不均）表面在原子水平上的不均匀性与催化活性匀性与催化活性TSK模型模型n n随着表面技术的发展，一些用肉眼看随着表面技术的发展，一些用肉眼看到的表面好象很平滑，其实不然，它到的表面好象很平滑，其实不然，它们在原子水平上是不均匀的，存在着们在原子水平上是不均匀的，存在着各种不同类型的表面位（各种不同类型的表面位（SitesSites）。所）。所谓谓TSKTSK模型，指原子表面上存在着台模型，指原子表面上存在着台阶（阶（TerraceTerrace）、梯级（）、梯级（StepStep）和拐折）和拐折（KinkKink）模型。在表面上存在的拐折、）模型。在表面上存在的拐折、梯级、空位、附加原子等表面位，都梯级、空位、附加原子等表面位，都十分活泼。它们对表面上原子的迁移，十分活泼。它们对表面上原子的迁移，对参与化学反应，都起着重要的作用。对参与化学反应，都起着重要的作用。从催化的角度讲，它们都是活性较高从催化的角度讲，它们都是活性较高的部位。实验说明，单晶催化剂的催的部位。实验说明，单晶催化剂的催化活性和选择性随晶面而异。化活性和选择性随晶面而异。第57页/共145页（5）负载型金属催化剂的催化负载型金属催化剂的催化活性活性n n金属的分散度n n金属在载体上微细的程度用分散度D（Dispersion）来表示，其定义为：n n因为催化反应都是在位于表面上的原子处进行，故分散度好的催化剂，一般其催化效果较好。当D=1时，意味着金属原子全部暴露。第58页/共145页n n金属在载体上微细分散的程度，直接关系到表面金属原子的状态，影响到这种负载型催化剂的活性。通常晶面上的原子有三种类型：位于晶角上，位于晶棱上和位于晶面上。显然位于顶角和棱边上的原子较之位于面上的配位数要低。随着晶粒大小的变化，不同配位数位（Sites）的比重也会变，相对应的原子数也跟着要变。涉及低配位数位的吸附和反应，将随晶粒变小而增加；而位于面上的位，将随晶粒的增大而增加。第59页/共145页载体效应载体效应n n活性组分与载体的溢流现象活性组分与载体的溢流现象（SpilloverSpillover）和强相互作用）和强相互作用n n所谓溢流现象，是指固体催化剂所谓溢流现象，是指固体催化剂表面的活性中心（原有的活性中表面的活性中心（原有的活性中心）经吸附产生出一种离子的或心）经吸附产生出一种离子的或者自由基的活性物种，它们迁移者自由基的活性物种，它们迁移到别的活性中心处（次级活性中到别的活性中心处（次级活性中心）的现象。它们可以化学吸附心）的现象。它们可以化学吸附诱导出新的活性或进行某种化学诱导出新的活性或进行某种化学反应。如果没有原有活性中心，反应。如果没有原有活性中心，这种次级活性中心不可能产生出这种次级活性中心不可能产生出有意义的活性物种，这就是溢流有意义的活性物种，这就是溢流现象。它的发生至少两个必要的现象。它的发生至少两个必要的条件：（条件：（A A）溢流物种发生的主源；）溢流物种发生的主源；（B B）接受新物种的受体，它是次）接受新物种的受体，它是次级活性中心。级活性中心。第60页/共145页n n前者是前者是PtPt、PdPd、RuRu、RhRh和和CuCu等金等金属原子。催化剂在使用中是处于属原子。催化剂在使用中是处于连续变化状态，这种状态是温度、连续变化状态，这种状态是温度、催化剂组成，吸附物种和催化环催化剂组成，吸附物种和催化环境的综合函数。据此可以认为，境的综合函数。据此可以认为，传统的传统的Langmuir-HinshelwoodLangmuir-Hinshelwood动力动力学模型，应基于溢流现象重新加学模型，应基于溢流现象重新加以审定。因为从溢流现象中知道，以审定。因为从溢流现象中知道，催化加氢的活性物种不只是催化加氢的活性物种不只是H H，而，而应该是应该是H H0 0、H H+、H H2 2、H H-等的平衡等的平衡组成；催化氧化的活性物种不只组成；催化氧化的活性物种不只是是OO，而应该是，而应该是OO0 0、OO-、OO=和和OO2 2等的平衡组成。溢流现象是等的平衡组成。溢流现象是5050年年代初研究代初研究H H2 2在在Pt/AlPt/Al2 2OO3 3上的解离吸上的解离吸附时发现的，现在发现附时发现的，现在发现OO2 2、COCO、NONO和某些烃分子吸附时都可能发和某些烃分子吸附时都可能发生这种溢流现象。溢流现象的研生这种溢流现象。溢流现象的研究是近二十多年来催化领域中最究是近二十多年来催化领域中最有意义的进展之一。有意义的进展之一。第61页/共145页n n氢溢流现象的研究，发现了另一类重要的作用，即金属、载体间的强相互作用，常简称之为SMSI（Strong-Metal-Support-Interaction）效应。当金属负载于可还原的金属氧化物载体上，如在TiO2上时，在高温下还原导致降低金属对H2的化学吸附和反应能力。这是由于可还原的载体与金属间发生了强相互作用，载体将部分电子传递给金属，从而减小对H2的化学吸附能力。第62页/共145页n n受此作用的影响，金属催化剂可以分为两类：一类是烃类的加氢、脱氢反应，其活性受到很大的抑制；另一类是有CO参加的反应，如CO+H2反应，CO+NO反应，其活性得到很大提高，选择性也增强。这后面一类反应的结果，从实际应用来说，利用SMSI解决能源及环保等问题有潜在意义。研究的金属主要是Pt、Pd、Rh贵金属，目前研究工作仍很活跃，多偏重于基础研究，对工业催化剂的应用尚待开发。第63页/共145页载体对金属还原的影响载体对金属还原的影响n n研究发现，在氢气氛中，非负载研究发现，在氢气氛中，非负载的的NiONiO粉末，可在粉末，可在400400下完全还下完全还原成金属，而分散在原成金属，而分散在SiOSiO2 2或或AlAl2 2OO3 3载体上的载体上的NiONiO，还原就困难多了，还原就困难多了，可见金属的还原性因分散在载体可见金属的还原性因分散在载体上改变了。研究还发现，非负载上改变了。研究还发现，非负载的较大粒度的的较大粒度的CuOCuO比高度分散地分比高度分散地分散在散在SiOSiO2 2或或AlAl2 2OO3 3载体上的还原温载体上的还原温度要低。这两种相反的现象，除度要低。这两种相反的现象，除决定于金属氧化物的分散度外，决定于金属氧化物的分散度外，还决定于金属与载体之间的相互还决定于金属与载体之间的相互作用。金属和载体之间相互作用作用。金属和载体之间相互作用有强弱之分。除上面提到的强相有强弱之分。除上面提到的强相互作用外，还有中等强度的相互互作用外，还有中等强度的相互作用和弱相互作用。作用和弱相互作用。第64页/共145页n n金属与载体的相互作用有利于阻金属与载体的相互作用有利于阻止金属微晶的烧结和晶粒长大。止金属微晶的烧结和晶粒长大。对于负载型催化剂，理想的情况对于负载型催化剂，理想的情况是，活性组分既与载体有较强的是，活性组分既与载体有较强的相互作用，又不至于阻滞金属的相互作用，又不至于阻滞金属的还原。金属与载体的相互作用的还原。金属与载体的相互作用的形成在很大程度上取决于催化剂形成在很大程度上取决于催化剂制备过程中的焙烧和还原温度与制备过程中的焙烧和还原温度与时间。温度对负载型催化剂的影时间。温度对负载型催化剂的影响是多方面的，它可能使活性组响是多方面的，它可能使活性组分挥发、流失、烧结和微晶长大分挥发、流失、烧结和微晶长大等。大致有这样的规律：当温度等。大致有这样的规律：当温度为为0.30.3TmTm（HuttigHuttig温度）时，开始温度）时，开始发生晶格表面质点的迁移（发生晶格表面质点的迁移（T Tm m为为熔点）；当温度为熔点）；当温度为0.5T0.5Tm m（TammamTammam温度）时，开始发生晶格体相内温度）时，开始发生晶格体相内的质点迁移。在高于的质点迁移。在高于TammamTammam温度温度以上焙烧或还原，有些金属能形以上焙烧或还原，有些金属能形成固溶体。成固溶体。第65页/共145页（3）结构敏感与非敏感反应）结构敏感与非敏感反应n n对金属负载型催化剂，影响活性对金属负载型催化剂，影响活性的因素有三种：的因素有三种：在临界范围内在临界范围内颗粒大小的影响和单晶取向；颗粒大小的影响和单晶取向；一种活性的第一种活性的第VIIIVIII族金属与一种较族金属与一种较小活性的小活性的IBIB族金属，如族金属，如Ni-CuNi-Cu形成形成合金的影响；合金的影响；从一种第从一种第VIIIVIII族金族金属替换成同族中的另一种金属的属替换成同族中的另一种金属的影响。根据对这三种影响敏感性影响。根据对这三种影响敏感性的不同，催化反应可以区分为两的不同，催化反应可以区分为两大类。一类涉及大类。一类涉及H-HH-H、C-HC-H或或O-HO-H键的断裂或生成的反应，它们对键的断裂或生成的反应，它们对结构的变化、合金的变化或金属结构的变化、合金的变化或金属性质的变化，敏感性不大，称之性质的变化，敏感性不大，称之为结构非敏感（为结构非敏感（Structrure-Structrure-insensitiveinsensitive）反应。）反应。第66页/共145页n n另一类涉及C-C、N-N或C-O键的断裂或生成的反应，对结构的变化、合金的变化或金属性质的变化，敏感性较大，称之为结构敏感（Structrure-sensitive）反应。例如，环丙烷加氢就是一种结构非敏感反应。用宏观的单晶Pt作催化剂（无分散D 0）与用负载于Al2O3或SiO2的微晶（11.5nm）作催化剂（D 1），测得的转化频率基本相同。氨在负载铁催化剂上的合成，是一种结构敏感反应。因为该反应的转化频率随铁分散度的增加而增加。第67页/共145页n n造成催化反应结构非敏感性的原因可归纳为三种情