工业催化

自1994年《工业催化》首版面世至今已26年。在这期间，科技进步日新月异，催化科学与技术得到了长足的发展，在能源、环保、新材料、生物技术等领域得到广泛的应用。环境友好和可持续性发展战略的实施对催化科学与技术提出了更高的要求，提供了更大的发展空间，也带来了新的挑战。

随着我国高校化工类专业教育模式与培养方案的调整，笔者在《工业催化》首版的基础上对内容进行了调整与更新，并于2006年和2014年分别出版了本教材的第二版和第三版。教材得到众多兄弟院校的支持与选用，并被评选为普通高等教育“十一五”规划教材和“十二五”普通高等教育本科规划教材。

随着新工科教育理念的兴起，本科化工专业课程体系的建设更加强调多学科跨界交叉融合，以强化对学生创新、实践能力的培养，也就是要提高学生认识、提出和定义问题的能力，利用科学和工程知识体系分析和解决问题的能力，以及自我终身学习的能力。鉴于此，本次修订试图对催化科学与技术近年来出现的新知识、新理念、新进展等内容进行更新和延展，以满足新时代的教育需求。

《工业催化》（第四版）修订的主要内容有：

（1）第1章中增加了超分子催化、单原子催化内容；

（2）将第三版第2章2.5纳米材料结构扩写后，调整为第四版第4章4.6纳米催化，以反映21世纪以来催化科学与纳米技术相结合而取得的进展； 

（3）第6章以环境友好技术和新能源（氢能）技术为主线，把光催化和电催化的内容较为全面地引入本教材，反映光、电激发催化的基本原理以及在新能源、环保等领域所取得的进步；

（4）第7章新增了生物催化技术在各工业领域的应用；

（5）第8章中删去了微动力学分析法，精炼了催化剂设计的内容；

（6）第9章工业催化剂的制备中，增补了目前研究过程中构建催化剂纳米结构时运用较多的水热/溶剂热制备技术；

（7）第10章中删去了有关催化剂性能测试的陈旧内容；

（8）第11章催化剂表征技术中更新了工作状态下的催化剂表征技术，以反映目前学术界、工业界对催化剂实时、原位、动态表征研究的重视;

（9）这些年来我国科学家在催化领域新的研究成果不断涌现，本次修订补充介绍了他们的重大研究成果，及其对催化科学和技术进步的贡献。

本此修订再版，参考了国内外众多学者的研究成果，在此对引用文献的作者们表示由衷的敬意！

在本书版至第四版的出版过程中，化学工业出版社精心策划与组织，编辑人员为此付出了很多心血，在此特表感谢！ 

限于时间及笔者的学识水平，教材中难免有疏漏之处，敬请读者指正。

黄仲涛 耿建铭

2020年5月于华南理工大学

《工业催化》第四版共10章，包括：工业催化的发展简史、固体催化剂的结构基础、吸附、催化作用与催化剂、络合催化与聚合催化、环保催化与光催化、新能源与电催化、生物催化、微动力学分析法与工业催化剂设计、工业催化剂的制备、评价与使用、催化剂表征技术简介等。 

本书可作为化工、煤化工、石油化工、能源化工、环境化工、精细化工等相关专业的本科生、研究生教材，也可供相关领域的科研人员参考。

《工业催化》第四版共10章，包括：工业催化的发展简史、固体催化剂的结构基础、吸附、催化作用与催化剂、络合催化与聚合催化、环保催化与光催化、新能源与电催化、生物催化、微动力学分析法与工业催化剂设计、工业催化剂的制备、评价与使用、催化剂表征技术简介等。 

本书可作为化工、煤化工、石油化工、能源化工、环境化工、精细化工等相关专业的本科生、研究生教材，也可供相关领域的科研人员参考。

黄仲涛，华南理工大学，教授，已退休，1986年由国务院学位委员会批准为博士生导师。曾任华南理工大学化学工程系系主任；兼任国家基金委员会化学工程学科评委；国家*科技委员会化学工程组成员；原化工部教育司化工工艺类专业教学指导委员会副主任；化工出版社图书编审委员会顾问；华南理工大学学报副主编；催化学报、工业催化、化学反应工程与工艺、C1－化工、天然气化学(英文版)等专业学术刊物编委；中国化工学会理事；中国催化专业委员会理事；广东省化工学会副理事长；广东省石油学会名誉副理事长。在高等学校从教四十多年，长期从事有机化工、工业催化理论与应用的教学和科学研究工作。在教学方面，治学严谨，工作勤奋，对学生要求严格，曾多次被评为高教系统优秀教师。是工业催化方面的专家，创立了我国第 一个工业催化博士点。在多相催化、C1化学催化、发电催化、动态多相催化、石油产品的加工催化等方面均取得显著成绩。在催化学科领域中，对金属离子负载型分子筛的研究、C1化工催化新工艺的开发、多相催化反应的多重态和动态行为分析、膜催化等进行了多方位的探索，多次获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国石化总公司等一批企业的科研基金支持，在国内外学术刊物上和国际、全国性专业学术会议上，共发表研究论文100多篇。

第1章工业催化发展概述/ 1

1.1催化概念的诞生1

1.2基础化工催化工艺的开发期1

1.3炼油和石油化学工业的蓬勃发展时期2

1.4合成高分子材料工业的兴起3

1.5择形催化与新一代石油炼制工业4

1.6手性催化与制药工业4

1.721世纪催化科学技术前沿6

1.7.1纳米时代的催化研究：实验方法和理论方法6

1.7.2催化反应追求的目标9

1.7.3催化反应的激活手段9

1.7.4超分子催化9

1.7.5单原子催化10

第2章固体催化剂的结构基础/ 12

2.1固体中键合结构类型12

2.2晶体结构13

2.2.1晶格、晶面及其标记13

2.2.2填充分数14

2.2.3表面层外气-固界层的结构16

2.2.4体相和表相结构的不完整性16

2.3分子表面化学18

2.3.1洁净固体表面的集合结构特征18

2.3.2洁净固体表面的弛豫和重构19

2.3.3吸附单分子层的有序化膜20

2.4固体能带结构简介22

第3章吸附与多相催化/ 25

3.1催化作用与催化剂25

3.1.1催化作用的定义与特征25

3.1.2催化剂的组成与载体的功能27

3.1.3对工业催化剂的要求32

3.2三个重要的催化概念35

3.3分子的化学吸附36

3.3.1吸附等温式36

3.3.2金属表面上的化学吸附39

3.3.3氧化物表面上的化学吸附43

3.4多相催化的反应步骤45

3.4.1外扩散45

3.4.2内扩散46

3.4.3反应物分子的化学吸附47

3.4.4表面反应48

3.4.5产物的脱附48

第4章固体催化剂及其催化作用/ 49

4.1酸碱催化剂及其催化作用49

4.1.1固体酸、碱的定义和分类49

4.1.2固体表面的酸、碱性质及其测定50

4.1.3酸、碱中心的形成与结构53

4.1.4固体酸、碱的催化作用57

4.1.5超强酸及其催化作用59

4.1.6超强碱及其催化作用61

4.1.7杂多化合物及其催化作用62

4.1.8离子交换树脂催化剂及其催化作用65

4.2非纳米分子筛催化剂及其催化作用67

4.2.1分子筛的结构构型68

4.2.2分子筛催化剂的催化性能与调变71

4.2.3中孔分子筛催化剂及其催化作用75

4.3金属催化剂及其催化作用77

4.3.1金属和金属表面的化学键78

4.3.2金属催化剂催化活性的经验规则81

4.3.3负载型金属催化剂的催化活性82

4.3.4金属簇状物催化剂84

4.3.5合金催化剂及其催化作用85

4.3.6非晶态合金催化剂及其催化作用85

4.3.7金属膜催化剂及其催化作用87

4.4金属氧化物催化剂及其催化作用90

4.4.1半导体的能带结构及其催化活性90

4.4.2氧化物表面的MO性质与催化剂活性、选择性的关联92

4.4.3复合金属氧化物催化剂的结构化学94

4.5金属硫化物催化剂及其催化作用98

4.5.1加氢脱硫及其相关过程的作用机理99

4.5.2重油的催化加氢精制100

4.6纳米催化101

4.6.1小尺寸效应101

4.6.2表面效应102

4.6.3界面效应103

4.6.4纳米限域效应104

第5章络合催化与聚合催化/ 105

5.1概述105

5.2过渡金属离子的化学键合106

5.2.1络合催化中重要的过渡金属离子与络合物106

5.2.2配位键合与络合活化106

5.3络合催化中的关键反应步骤107

5.3.1配位不饱和与氧化加成107

5.3.2穿插反应109

5.3.3β-氢转移109

5.3.4配位体解离和配位体交换110

5.4络合催化循环110

5.4.1络合催化加氢110

5.4.2络合催化氧化111

5.4.3络合异构化112

5.4.4羰基合成与氢甲酰化112

5.4.5甲醇络合羰化合成乙酸113

5.5配位场的影响114

5.5.1空位概念和模板效应114

5.5.2反式效应114

5.6均相络合催化剂的固相化技术114

5.6.1一般的固载方式115

5.6.2载体的类型116

5.6.3锚定络合物核的多重性117

5.7无金属的均相催化——有机小分子催化118

5.8聚合催化120

5.8.1Ziegler-Natta催化剂121

5.8.2Phillips型催化剂122

5.8.3茂金属聚合催化剂122

5.8.4非茂后过渡金属聚合催化剂124

第6章光催化与电催化/ 125

6.1环境友好的催化技术125

6.1.1“零排放”与绿色化学125

6.1.2“原子经济”“E因子”与绿色化工生产128

6.1.3环境友好催化技术案例分析128

6.2光催化技术130

6.2.1光化学反应基础131

6.2.2光催化基本原理131

6.2.3半导体光催化剂性能的调变133

6.2.4环境光催化——光催化治理环境污染物136

6.2.5能源光催化——光催化水制氢139

6.3电催化技术144

6.3.1电化学基本知识144

6.3.2电催化反应机理145

6.3.3电极的催化作用147

6.3.4电催化与燃料电池148

6.3.5电催化水制氢152

6.3.6电催化CO2还原153

第7章生物催化/ 156

7.1生物催化剂的类别156

7.2生物催化反应的特征157

7.3酶的系统分类和系统命名158

7.4酶的功能与反应动力学158

7.5影响酶催化反应的因素160

7.6生物催化技术的应用161

7.6.1在手性化合物合成上的应用161

7.6.2在精细/大宗化学品工业上的应用163

7.6.3在医药工业上的应用164

7.6.4在食品工业上的应用164

7.6.5在化妆品工业上的应用165

7.6.6在生物能源工业上的应用165

7.6.7在高分子工业上的应用166

7.6.8在环保工业上的应用167

7.6.9在纺织工业上的应用167

7.6.10在造纸工业上的应用167

7.7生物催化的发展趋势167

第8章工业催化剂的设计/ 170

8.1工业催化剂的设计方法170

8.2催化剂设计的框图程序171

8.3催化剂主要组分的设计174

8.4催化剂次要组分的设计176

8.5催化剂类型的设计177

8.5.1块状金属催化剂177

8.5.2负载金属催化剂179

8.6固体催化剂设计的新思路186

8.6.1利用酶催化原理设计186

8.6.2利用组合技术设计188

8.6.3固体催化剂构件组装的设计189

第9章工业催化剂的制备与使用/ 192

9.1工业催化剂的制备192

9.1.1沉淀法193

9.1.2浸渍法203

9.1.3混合法210

9.1.4离子交换法211

9.1.5熔融法211

9.2催化剂制备技术新进展212

9.2.1微乳液技术212

9.2.2溶胶-凝胶技术216

9.2.3超临界流体技术222

9.2.4膜技术224

9.2.5水热/溶剂热技术226

9.3工业催化剂的使用228

9.3.1运输、贮存与填装228

9.3.2升温与还原229

9.3.3开、停车及催化剂钝化230

9.3.4催化剂的使用、失活与再生231

第10章工业催化剂宏观物性测试与性能评价/ 236

10.1催化剂活性测试的基本概念236

10.1.1活性测试的目标236

10.1.2实验室催化剂活性测试反应器的类型237

10.2催化剂活性的测定238

10.2.1影响催化剂活性测定的因素238

10.2.2测定活性的试验方法240

10.3催化剂的宏观物性及其测定241

10.3.1催化剂的表面积及其测定241

10.3.2催化剂的孔结构及其测定243

10.3.3催化剂机械强度的测定250

10.4催化剂抗毒性能的评价253

10.5工业催化剂寿命的考察253

10.5.1影响催化剂寿命的因素253

10.5.2催化剂寿命的测试254

第11章催化剂表征技术/ 257

11.1气相色谱技术257

11.1.1程序升温脱附法257

11.1.2程序升温还原法259

11.1.3氢氧滴定脉冲色谱法259

11.2热分析法260

11.2.1差热分析法260

11.2.2热重分析法261

11.2.3差示扫描量热法262

11.2.4热分析法在催化研究中的应用262

11.3X射线衍射分析法262

11.4光谱法263

11.4.1红外吸收光谱法263

11.4.2拉曼光谱法265

11.5显微分析法265

11.5.1扫描电镜法265

11.5.2透射电镜法266

11.5.3扫描隧道显微镜法266

11.5.4原子力显微镜267

11.5.5显微技术在催化剂研究中的应用268

11.6能谱法268

11.6.1俄歇电子能谱法268

11.6.2X射线光电子能谱法269

11.6.3紫外光电子能谱法269

11.7核磁共振法270

11.8穆斯堡尔谱271

11.9工作状态下的催化剂表征技术271

参考文献/ 274

《工业催化》第四版共10章，包括：工业催化的发展简史、固体催化剂的结构基础、吸附、催化作用与催化剂、络合催化与聚合催化、环保催化与光催化、新能源与电催化、生物催化、微动力学分析法与工业催化剂设计、工业催化剂的制备、评价与使用、催化剂表征技术简介等。 

本书可作为化工、煤化工、石油化工、能源化工、环境化工、精细化工等相关专业的本科生、研究生教材，也可供相关领域的科研人员参考。

黄仲涛，华南理工大学，教授，已退休，1986年由国务院学位委员会批准为博士生导师。曾任华南理工大学化学工程系系主任；兼任国家基金委员会化学工程学科评委；国家*科技委员会化学工程组成员；原化工部教育司化工工艺类专业教学指导委员会副主任；化工出版社图书编审委员会顾问；华南理工大学学报副主编；催化学报、工业催化、化学反应工程与工艺、C1－化工、天然气化学(英文版)等专业学术刊物编委；中国化工学会理事；中国催化专业委员会理事；广东省化工学会副理事长；广东省石油学会名誉副理事长。在高等学校从教四十多年，长期从事有机化工、工业催化理论与应用的教学和科学研究工作。在教学方面，治学严谨，工作勤奋，对学生要求严格，曾多次被评为高教系统优秀教师。是工业催化方面的专家，创立了我国第 一个工业催化博士点。在多相催化、C1化学催化、发电催化、动态多相催化、石油产品的加工催化等方面均取得显著成绩。在催化学科领域中，对金属离子负载型分子筛的研究、C1化工催化新工艺的开发、多相催化反应的多重态和动态行为分析、膜催化等进行了多方位的探索，多次获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国石化总公司等一批企业的科研基金支持，在国内外学术刊物上和国际、全国性专业学术会议上，共发表研究论文100多篇。