金属催化剂及其催化作用

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1、金属催化剂及其催化作用金属催化剂分类块状金属催化剂负载型金属催化剂合金型金属催化剂金属互化物催化剂金属簇状物催化剂几乎所有的金属催化剂都是过渡金属或者是贵金属。金属催化剂的应用金属催化剂主要催化的化学反应为：加氢、脱氢、异构化、部分氧化、完全氧化等。金属催化剂的特性1、过渡金属或贵金属2、最外层有1-2个电子，次外层有1-10个d电子，（n-1）dns有未成对的电子。即使象Cu，Ag，Au等d电子已经完全充满，由于d电子可以跃迁到s轨道上，因此d仍有未充满的电子。通常称为含有未充满或未成对的d电子。过渡金属金属催化剂(过渡金属和贵金属）适合作金属催化剂的元素特征一般是d区元

2、素（ⅠB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ）外层电子排布：最外层1-2个S电子次层1-10d电子。贵金属结构特点贵金属结构中d全充满，而S未满。但S轨道与d轨道有重叠，d轨道的电子可以跃迁到S轨道上，从而使d轨道上有未成对电子的能级，从而产生化学吸附。金属催化剂催化活性的经验规则（1）d带空穴与催化活性（2）d%与催化活性（3）晶格间距与催化活性（4）表面在原子水平上的不均匀和催化活性逸出功越小，金属给出电子的趋势越大；Ø逸出功越大，金属从外界获得电子的趋势亦越大。Ø与电负性的关联式：X=0.355φØ这里X代表电负性，φ代表逸出功Ø如Ni的逸出功φ=4.71eV，由上式可算出，X=1.67

3、eV金属的逸出功FeCoNiCrCuMo4.484.414.514.604.104.20RhPdAgWRePt4.484.554.804.535.105.32反应物分子的电离势反应物分子将电子从反应物移到外界所需的最小功用I来表示。代表反应分子失电子难易程度。金属催化剂的化学吸附与催化性能的关系1、φ>I时，电子从反应物向金属催化剂表面转移,反应物变成正离子。这时反应物与催化剂形成离子键。其强弱程度决定于φ与I相对大小。这种情况下，正离子层可以降低催化剂表面的电子逸出功。2、当φ

4、也形成离子键。强度同φ与I差值有关，差值越大键强越强。这种负离子吸附层可以增加金属催化剂的电子逸出功。3、φ≈I时，电子难于发生完全转移，这时形成共价键。实际上，I和φ不是绝对相等的。如果反应物带孤立的电子对，金属催化剂上有接受电子对的部位，反应物分子就会将孤立的电子对给予金属催化剂而形成配价键结合，亦就是产生L酸中心→络合催化（下次课讲）。化学吸附后金属金属的逸出功会发生变化。如O2，H2，N2，饱和烃在金属上吸附时。金属将电子给予被吸附分子在表面上形成负电子层如Ni+N-，W+O-等造成电子进一步逸出困难，逸出功增大。而当C2H4，C2H2，CO（有π键）把电子给予金属

5、，金属表面形成正电层，使逸出功降低。化学吸附过程是往往是催化反应的控制步骤。（1）若反应控制步骤是生成负离子吸附态，那么就要求金属表面容易给出电子。Φ值要小，才有利造成成这种吸附态。举例1如某些氧化反应是以O-、O2-、O=等吸附态为控制步骤。当催化剂的Φ越小，氧化反应活化能越小。（2）若反应控制步骤是生成正离子吸附态时，则要求金属催化剂表面容易得到电子，这时Φ越大，反应的活化能越低。（3）若反应控制步骤为形成共价吸附时，则要求金属催化剂的Φ=I相当为好。在制备催化剂时如何改变催化剂的逸出功：一般采用加助剂方法，从而达到提高催化剂的活性和选择性的目的。举例2：HCOOH→H

6、2+CO2首先发现催化过程是HCOOH+金属催化剂生成类甲酸盐进一步生成CO2和H2。HCOOH+金属→类甲酸盐→金属+H2+CO2Tanable模型金属离子的配位数不变。氧离子的配位数与主体氧化物相同。能带理论：能级是连续的，电子共有化。Øs轨道合成的S能带相互作用强，能带宽，电子密度小。Ød轨道合成的d能带相互作用弱，能带较窄，电子密度大。Ø电子占用的最高能级为Fermi能级。金属键可以看作是多原子共价键的极限情况。按分子轨道理论，金属中N个原子轨道可以形成N个分子轨道。随着金属原子数增多，能级间距越来越小，当原子数N很大时，能级实际变成了连续的能带。前题Ø能带理论是一

7、个单电子的近似，每一个电子的运动被近似看作是独立的。电子既可以从晶格振动获得能量。从低能级跃迁到高能级，也可以从高能级跃迁到低能级把多余的能量放出来为晶格热振动的能量。在绝对温度为T的金属晶体内，电子达到热平衡时。能量为Ej的能级被电子占据的几率f(Ej)(也称为费米分布函数）EF为费米能级是电子能填充到能带的水平。它直接关系到催化剂的活性和选择性。当T→时分布函数极端情况讨论Ø首先，令当T=0°k时令EF=E0F(1)EjE0