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催化科学导论 - 廖代伟

上一篇 / 下一篇 2008-04-20 03:00:32

出版日期:2006年5月
催化是一门科学，一门技术，也是一门艺术。催化的世界缤纷多彩、变幻莫测。相同的催化剂可以催化出不同的产物，不同的催化剂也可以催化出相同的产物。催化剂实际参与了化学反应，但却不在总化学反应配平式中出现。这就是催化剂及其催化作用的奥妙之处。那么，催化剂及其催化作用的本质究竟是什么呢？有没有放之四海而皆准的、普遍适用的、统一的催化原理呢？如何才能实现如人所愿的催化剂及其催化过程的理想设计呢？这是值得每个催化工作者认真思索、探究和大胆假设、小心求证的充满挑战性的问题。

虽然在我国的学科分类中，催化只是化学一级学科中物理化学二级学科下的三级学科，但催化却是化学、材料、化工、环境、能源、物理等众多一级学科的交叉，并在国民经济的各个领域得到了广泛的应用且发挥着关键作用。例如，90%以上的石油炼制和化工生产过程是催化过程。在这个意义上，可以说，催化已影响到人类生活的方方面面。

催化剂及其催化作用是一个动态过程，动态催化（dynamic catalysis）一词形象地描述了这一过程。注意，动态的情况可能与静态的情况大不相同，因此，在催化研究中大力提倡和推崇的是动态研究方法和技术。尽可能多的、充分和必要的现场或原位（insitu）、微观和动态的实验事实是阐明催化作用机理的可靠证据，而作为辅助证据的静态实验事实和理论方法研究结果，最终还需要通过动态实验的验证。幸运的是，现代谱学实验技术和计算机技术的发展为动态催化的研究提供了有利的支撑条件。

特别要注意的是，催化剂的结构及其催化性能也是随着制备、活化和反应条件而动态变化的，因此，必须选择最优的制备、活化和反应条件，在催化剂结构相对稳定、形成和暴露的活性中心数最多时，测定该催化剂的最高催化活性，这一过程可能需要几十个小时，甚至上百个小时，所以要有耐心。例如，负载型金属催化剂往往涉及煅烧和还原活化的步骤，必须考虑到煅烧温度的高低和保护气体的种类对催化剂结构的影响，以及活化过程中还原气体种类、温度高低和时间长短对催化剂表面重构的影响等。开始催化剂活性评价时，必须先完成一条催化剂活性随反应时间的变化曲线，而不是仅仅测定反应起始的活性，否则可能失去发现重要催化信息的机会。

催化既是一门基础学科，又是一门应用学科。催化作用的复杂性和催化研究的繁重性要求催化工作者具有良好的科学研究素质，要有耐性和平静的心态，反复实验，认真求证，而不能急功近利。如果每个催化工作者在其一生中都能研发出一种得到实际应用的新催化剂，那么，催化对人类社会的进步将有很大的贡献！这种应用成果的价值显然不是那些缺乏原创性的表面文章所能比拟的。虽然说基础与应用并重，但在催化中应更重视应用。

催化是多学科的交叉，因此也要求催化工作者具有尽可能多的相关学科的知识基础，例如，表面科学、界面化学、结构化学、配位化学、金属有机化学、合成化学、固体化学、量子化学、谱学分析、生物化学、仿生化学、材料科学、环境科学、分子反应动力学、物理化学、药物化学、化学工程学和计算机应用技术等。当然，不可能面面俱到，但如果能灵活地将所学到的相关学科的基础知识应用到催化研究中，就有可能抓住机遇而做出创新性的贡献。

催化与国计民生密切相关，世界各国从事催化研究的队伍非常庞大，中国也不例外。出版和发表的有关催化的书籍和文献资料浩如烟海，即使尽一个人的毕生精力，也无法窥其全貌。但借助好的综述性文章，可以使我们更快地入门。在这方面，每年一卷的“Advances in Catalysis”、“Catalysis—Science and Technology”、“Catalysis”和“Catalysis Review”等都是很值得一看的参考资料。从其所引用的文献，我们可以更深入地了解感兴趣的某个催化问题。而国际和国内催化会议以及催化现刊（如“Journal of Catalysis”和“Catalysis Letters”等）又为我们了解催化研究的最新动态提供了信息。

国内外已经出版了许多有关催化的专著和教科书，例如，厦门大学的《催化原理》和吉林大学的《催化作用基础》等都是非常优秀的催化基础教科书，作者当年亦从这些书中得到不少的教益。受化学工业出版社的委托，作者编写了这本《催化科学导论》研究生教材，其宗旨是使学生了解催化科学的全貌和普遍性的最基础知识，为今后进行催化某个方向的深入研究打下基础。希望藉此书能激发学生创新性的思维，培养学生灵活思考的能力和独立从事科学研究的素质。同时，也希望通过本书的学习，学生能感觉到催化的魅力和重要性，从而热爱催化和投身催化科学事业。

本书是在作者给厦门大学博士研究生和硕士研究生讲授“高等催化化学”学位课程以及给高年级本科生讲授“催化科学基础”的讲稿基础上，结合作者的催化研究工作体会重新编写而成的。限于篇幅和教学课时，本书注重于普适性和启发性的催化知识介绍，而不去详尽地介绍每个催化反应（因为每个催化反应都可以写成一本大部头的专著，有兴趣的学生可以自己去查阅其它教科书和文献），并尽量减少图表（因为许多经典的催化图表在其它书中都可以查到，拷贝不是本书所提倡的），同时尽量不与其它教科书的内容重复（但要求学生尽量多参看其它有关教科书）。希望在有限的教学时间里，能使学生对催化科学的精粹和发展有一个简明扼要的认识，对催化研究方法和研究方向有所了解。入门后的深入，就靠每个学生自己的努力和兴趣了。

本书分为十二章，每章前面列出本章重点和学习要求，书后给出一些思考题，可在学习有关章节时结合思考，也可作为学完全书内容后的自测题目。

在本书完成之际，衷心感谢我的导师蔡启瑞院士几十年来对我的精心指导和培养，是敬爱的蔡启瑞教授指引我步入了催化研究的征途。如今已九十一岁高龄的蔡启瑞先生仍活跃在催化研究的最前沿，他渊博的学识、灵活的思维、诚实的科学道德和正直无私的品格，是所有科学工作者的楷模，是学生毕生的学习榜样。先生的谆谆教诲“不要迷信权威，大胆假设，小心求证”引领着学生迈出催化研究的每一步，这一指导思想也贯穿在本书的写作思想之中。希望这本拙作能作为学生我学习催化科学的阶段小结，谨怀着感激之情，呈献给恩师和师母。

在此，作者还要感谢厦门大学物理化学研究所、厦门大学化学系和固体表面物理化学国家重点实验室的同仁们，他们在催化领域的研究成果和经验使作者得益良多。作者还要感谢我所指导的博士研究生和硕士研究生们，他们的部分催化研究工作丰富了本书的内容，一些研究生还协助打印了部分初稿，博士研究生林敬东帮助校对了部分初稿的打印件，部分图由博士研究生欧延、李俊和符显珠等帮助绘制。最后，作者要感谢化学工业出版社的编辑们，是他们辛勤的编辑工作，使本书得以顺利出版。

本书内容基本上涉及催化领域的方方面面，但因作者学识有限，有些观点是作者自己的体会，不周之处，还望有识之士不吝指正，作者在此先行致谢。

编者

于厦门大学

2005年11月13日催化科学导论目录
第1章催化科学的发展1

11催化科学研究的意义和重要性1

12催化作用概论——化学反应的控制4

121催化剂和催化作用5

122催化研究的领域5

123催化作用的理论和假设6

124催化剂活性评价的主要指标7

13催化研究中的重点发展方向11

131当前我国催化研究的重点发展方向12

132当前美国催化研究的重点发展方向14

14催化科学与技术研究中的创新性与前沿15

141催化科学研究中的创新性与前沿15

142催化技术研究中的创新性与前沿21

15催化作用的微观理解22

151微观化学反应22

152催化剂的基本功能24

153选择催化中的信息传递24

16催化科学发展中的现代概念25

第2章多相催化27

21多相催化体系中的相组合27

22多相催化作用中的基本概念28

23多相催化剂的分类31

24配位化学吸附与多相催化31

241化学吸附与物理吸附32

242金属上的化学吸附与催化33

243氢溢流效应35

244金属载体强相互作用36

245同位素效应37

246半导体型金属氧化物上的化学吸附与催化39

247复合氧化物上的化学吸附与催化40

248分子筛的吸附与催化作用41

25多相催化作用中的电子效应、结构效应、能量效应和信息效应43

251电子效应43

252结构效应51

253能量效应53

254信息效应54

26典型多相催化反应的例子——合成氨55

261第一代熔铁型双促进催化剂56

262第二代负载型钌催化剂63

263第三代多金属中心负载型催化剂65

27多相催化与纳米科技66

第3章均相催化69

31均相催化的发展69

311均相催化的应用70

312均相催化的特点70

313均相催化的发展趋势70

32均相催化中的过渡金属离子72

33中心金属与配位体的相互作用74

34电子效应和位阻效应74

35均相催化的基本反应类型75

351配位体取代反应75

352氧化和还原反应75

353氧化加成和还原消除反应76

354插入反应和消除反应76

36均相催化剂的基本特征77

37均相催化作用与多相催化作用的关联78

38部分重要的均相催化反应78

39酸碱催化作用82

391酸碱的定义82

392酸强度和酸浓度83

393均相酸碱催化83

394多相酸碱催化84

第4章酶催化和仿生催化87

41酶化学基础87

42酶的分类88

43酶催化反应的特点89

44酶催化活性的调控91

45酶的辅因子93

46酶催化反应动力学93

47酶催化反应机理94

48仿生酶催化95

49抗体的催化作用95

第5章电催化97

51电催化作用97

52电催化剂99

53重要的电催化反应100

第6章光催化103

61光催化作用103

62光催化剂105

63光催化反应106

64光催化的应用和发展方向109

65分子光化学基础知识简介109

第7章工业催化115

71固体工业催化剂的表面过程115

72对工业催化剂的要求116

73工业催化反应器117

74催化剂的制造118

75催化剂的载体119

第8章计算机辅助催化剂分子设计121

81催化剂设计的分类和特点122

82计算机辅助催化剂分子设计的物理化学判则123

83计算机辅助催化剂分子设计的数学模型126

84计算机辅助催化剂分子设计的应用程序127

第9章量子催化和选键催化129

91分子模拟和量子化学计算方法130

92化学群论与对称性132

93催化反应能量学方法135

94生命科学中的微催化作用和信息催化作用136

第10章纳米催化139

101纳米材料基础139

102催化研究中的纳米材料和技术142

第11章能源催化145

111催化与传统化石燃料资源的优化利用146

112催化与燃料电池147

第12章环境催化153

121催化与清洁环境153

122催化燃烧及其应用155

123光催化与空气净化156

思考题159

参考文献161

推荐书目164 本书为大专院校和科研单位化学领域的硕士研究生和博士研究生提供了一本深入浅出、内容新颖的教科书，也可作为大学化学本科高年级学生的入门参考书。催化科学导论内容介绍:
本书分为十二章，每章前面列出本章重点和学习要求，书后给出一些思考题，可在学习有关章节时结合思考，也可作为学完全书内容后的自测题目。
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