1、1第第2章章 催化劑的表面吸附和孔內擴散催化劑的表面吸附和孔內擴散2.1 催化劑的物理吸附與化學吸附催化劑的物理吸附與化學吸附2.2 化學吸附類型和化學吸附態化學吸附類型和化學吸附態2.3 吸附平衡與等溫方程吸附平衡與等溫方程2.4 催化劑的表面積及其測定催化劑的表面積及其測定2.5 催化劑的孔結構與孔內擴散催化劑的孔結構與孔內擴散22.1 催化劑的物理吸附與化學吸附催化劑的物理吸附與化學吸附幾個概念：幾個概念：吸附：吸附：氣體與固體表面接觸時，氣體與固體表面接觸時，固體表面固體表面上氣體的上氣體的濃濃度度高于高于氣相主體氣相主體的現象。的現象。吸附過程：吸附過程：固體表面上固體表面上氣體的氣

2、體的濃度濃度隨時間增加而隨時間增加而增大增大的過程。的過程。脫附過程：脫附過程：固體表面上固體表面上氣體的氣體的濃度濃度隨時間增加而隨時間增加而減小減小的過程。的過程。吸附平衡：吸附平衡：吸附速率吸附速率和和脫附速率脫附速率相同，固體表面上氣相同，固體表面上氣體的體的濃度不變濃度不變。32.1 催化劑的物理吸附與化學吸附催化劑的物理吸附與化學吸附幾個概念：幾個概念：吸附類型：吸附類型：等溫等溫吸附、吸附、等壓等壓吸附和吸附和等容等容吸附。吸附。吸附劑：吸附劑：吸附氣體的吸附氣體的固體固體物質。物質。吸附質：吸附質：被吸附的被吸附的氣體氣體。吸附態：吸附態：吸附質在固體表面吸附后的吸附質在固體表

3、面吸附后的狀態狀態。吸附中心：吸附中心：常常是常常是催化催化活性活性中心，形成活性中間體。中心，形成活性中間體。42.1.1 物理吸附與化學吸附的區別物理吸附與化學吸附的區別吸附的分類方式：吸附的分類方式： 分子在固體表面吸附時的分子在固體表面吸附時的結合力結合力不同不同物理吸附：物理吸附：分子間力（范德華力）、凝聚現象分子間力（范德華力）、凝聚現象（對分子結構影響不大）、作用力弱（對分子結構影響不大）、作用力弱化學吸附：化學吸附：化學鍵力（離子鍵和共價鍵力）、化學鍵力（離子鍵和共價鍵力）、化學反應（電子轉移和電子共享）、作用力強化學反應（電子轉移和電子共享）、作用力強52.1.1物理吸附與化

4、學吸附的區別物理吸附與化學吸附的區別62.1.2 吸附位能曲線吸附位能曲線 吸附的吸附的微觀過程微觀過程，吸附過，吸附過程中的程中的能量關系能量關系以及以及物理吸附物理吸附與化學吸附的轉化與化學吸附的轉化關系，可以關系，可以用用吸附位能曲線吸附位能曲線說明。說明。 指指吸附質分子所具有的位吸附質分子所具有的位能能與其距吸附表面與其距吸附表面距離距離之間的之間的關系。關系。1）H2分子在分子在Ni 表面的吸附表面的吸附 橫坐標上的點橫坐標上的點表示分子的表示分子的位能為位能為零零，即，即H2分子遠離分子遠離Ni表表面時的位能。面時的位能。PC72.1.2 吸附位能曲線吸附位能曲線1）H2分子在分

5、子在Ni 表面的吸附表面的吸附 (a) P線表示線表示H2分子物理吸附分子物理吸附在在Ni表面時的位能變化表面時的位能變化 H2分子與分子與Ni表面很遠時表面很遠時（大于（大于0.5 nm），位能為），位能為0，當，當靠近靠近Ni表面時，與表面時，與Ni表面用范德表面用范德華力（吸引力）結合，降低位能，華力（吸引力）結合，降低位能，達到平衡時最低，該位能差達到平衡時最低，該位能差HP即為即為物理吸附熱物理吸附熱qP。越過最低點。越過最低點繼續靠近繼續靠近Ni表面時，由于排斥力表面時，由于排斥力位能迅速升高（位能迅速升高（H2分子與分子與Ni原子原子核發生正電排斥）。核發生正電排斥）。PC8 (

6、b) C線表示線表示H原子化學吸附原子化學吸附在在Ni表面時的位能變化表面時的位能變化-先解離先解離再吸附的情況再吸附的情況 H2分子與分子與Ni表面很遠時（大表面很遠時（大于于0.5 nm），），H2分子解離成分子解離成H原原子需要的能量為子需要的能量為DHH（即（即H2的離的離解能，解能，434 kJ/mol）；）；H原子接原子接近表面時，由于化學鍵的形成降近表面時，由于化學鍵的形成降低位能。當形成穩定化學鍵時，低位能。當形成穩定化學鍵時，位能降至最低。該位能與位能降至最低。該位能與H2分分子位能之差子位能之差HC即為即為化學吸附熱化學吸附熱qC。2.1.2 吸附位能曲線吸附位能曲線PC9

7、 另外，可通過物理吸附后另外，可通過物理吸附后接近表面，沿接近表面，沿P曲線上升，吸曲線上升，吸收能量收能量Ea（吸附活化能）后成（吸附活化能）后成為過渡態（不穩定），然后位為過渡態（不穩定），然后位能沿能沿C線下降至最低點達到化線下降至最低點達到化學吸附態。學吸附態。2.1.2 吸附位能曲線吸附位能曲線PC10 Ea1)nVkp1lglg lgVkpn1 lnomVc pVa394. BET等溫方程等溫方程基本假設：基本假設：（1）固體表面是均勻的，自由表面對所有分子的吸附機會相等，）固體表面是均勻的，自由表面對所有分子的吸附機會相等，分子的吸附、脫附不受其他分子存在的影響；分子的吸附、脫附

8、不受其他分子存在的影響；（2）固體表面與氣體分子的作用力為范德華力，因此在第一層）固體表面與氣體分子的作用力為范德華力，因此在第一層之上還可以進行第二層、第三層等多層吸附。之上還可以進行第二層、第三層等多層吸附。0011 (1)()mppCV ppCVp402.3.2 等溫方程等溫方程p（多層）（多層）（單層）（單層）（單層）（單層）412.4催化劑的表面積及其測定催化劑的表面積及其測定 一般而言，催化劑的表面積越大，催化劑的活性越高一般而言，催化劑的表面積越大，催化劑的活性越高。具。具有有均勻表面均勻表面的少數催化劑表現出其活性與表面積的少數催化劑表現出其活性與表面積成比例成比例關系，關系，

9、如如丁烷在鉻丁烷在鉻-鋁催化劑上的脫氫反應鋁催化劑上的脫氫反應，但往往是不成線性關系。，但往往是不成線性關系。 測定表面積來研究催化劑的失測定表面積來研究催化劑的失活機理和特性。活機理和特性。（1）活性的降低比起表面積的）活性的降低比起表面積的降低嚴重的多，失活是由于催化劑降低嚴重的多，失活是由于催化劑中毒中毒所致；所致；（2）活性伴隨表面積的降低而）活性伴隨表面積的降低而降低，由于催化劑降低，由于催化劑燒結燒結造成。造成。422.4.1 BET法測定比表面積法測定比表面積1. 測定原理和計算方法測定原理和計算方法0pV pp 對對p/p0作圖，得一條直線。從直線的作圖，得一條直線。從直線的斜

10、率斜率和和截距截距可計算可計算兩個常數值兩個常數值C和和Vm，從，從Vm可以計算吸附劑的比表面。可以計算吸附劑的比表面。1+mV 斜率 截距mgAmVSN AV0011 (1)()mppCV ppCVpSg:每克催化劑或吸附劑的每克催化劑或吸附劑的總面積（比表面積）總面積（比表面積）432.4.1 BET法測定比表面積法測定比表面積mgAmVSN AVV：吸附質的摩爾體積（：吸附質的摩爾體積（22.4 l/mol）NA：阿佛加德羅常數：阿佛加德羅常數Am：分子截面積：分子截面積44（1）靜態低溫氮吸附容量法）靜態低溫氮吸附容量法（2）重量法）重量法（3）色譜法）色譜法2. 測定比表面積的實驗方

11、法測定比表面積的實驗方法 吸附一般在低溫吸附一般在低溫下進行，將樣品管浸下進行，將樣品管浸在低溫液體中，在較在低溫液體中，在較低溫度下不易產生化低溫度下不易產生化學吸附。學吸附。 相對壓力在相對壓力在0.05-0.35時，可保證時，可保證單層吸單層吸附附。452. 測定比表面積的實驗方法測定比表面積的實驗方法462. 測定比表面積的實驗方法測定比表面積的實驗方法472.5 催化劑的孔結構與孔內擴散催化劑的孔結構與孔內擴散 催化劑的表面積中大部分為催化劑的表面積中大部分為內表面內表面，且，且催化活催化活性中心性中心一般分布在一般分布在內表面內表面上，反應物分子在被表面吸上，反應物分子在被表面吸附

12、之前，需要通過附之前，需要通過孔內擴散孔內擴散，才能到達，才能到達內表面內表面。 擴散過程與擴散過程與催化劑的催化劑的孔結構孔結構密切相關。密切相關。 影響影響表觀反應動力學表觀反應動力學和和選擇性選擇性。2.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構 孔結構參數孔結構參數包括：密度、比孔容積、孔隙率、包括：密度、比孔容積、孔隙率、平均孔半徑、孔徑分布平均孔半徑、孔徑分布481）催化劑的密度）催化劑的密度2.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構mmVVVV堆堆孔隙真mmVVVV假堆孔隙真（1）堆密度：）堆密度：（2）顆粒密度（假密度）：）顆粒密度（假密度）：（壓實顆粒測定）（壓實顆粒測定）（汞置換法汞置

13、換法測定測定V隙隙）單位體積單位體積內含有的催化劑的內含有的催化劑的質量質量。mV表觀體積（堆體積）：表觀體積（堆體積）：V隙隙+V孔孔+V真真492.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構()mmVVVV真堆孔隙真mmVVVV視堆孔隙真（）（3）真密度）真密度(骨架密度骨架密度)：（4）視密度：）視密度：（氦置換法氦置換法可以測定可以測定V隙隙+V孔孔）（溶劑置換法溶劑置換法可以測定可以測定V隙隙+V孔孔）502.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構g11VVV假真假真gg11=1=1VVV假真假假假真假2）比孔容積（比孔容）比孔容積（比孔容） 1g 催化劑中顆粒內部催化劑中顆粒內部細孔的總體積細

14、孔的總體積。由。由顆粒密度顆粒密度和和真密度真密度求得（求得（CCl4法直接測定）：法直接測定）：3）孔隙率）孔隙率 催化劑顆粒內部催化劑顆粒內部細孔的體積細孔的體積占占顆粒總體積顆粒總體積的的分數分數。512.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構4）平均孔半徑）平均孔半徑 假設有假設有N個大小一樣的個大小一樣的圓柱形孔圓柱形孔，其內壁光滑，由顆粒表，其內壁光滑，由顆粒表面深入顆粒中心。用面深入顆粒中心。用N個圓柱形孔代替實際的孔，把它看做是個圓柱形孔代替實際的孔，把它看做是各種長度各種長度和和半徑半徑的孔的平均化的結果。的孔的平均化的結果。顆粒表面積：顆粒表面積：PP: 22xPxPgxPLr

15、SVnS nSr LVS n假假圓柱孔的平均長度：圓柱孔的平均半徑：顆粒外表面積 ：每個顆粒的體積：每單位外表面上的孔數 ：顆粒密度，假密度 ：每個顆粒的總孔數 ：比表面積 ：每個孔的內表面積 ：顆粒的質量Pgr LVS假：顆粒的內表面積 ：顆粒的總表面積2xppgS nr LVS假522.5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構22 2xPPgggggrLVS nrLVSVVrS假：每個孔的體積：比孔容積：比表面積2PxVLS另外：由模型和實驗可測值分別列出每個另外：由模型和實驗可測值分別列出每個顆粒體積顆粒體積的表達式：的表達式：相似的：平均孔長度相似的：平均孔長度xS ：顆粒外表面積 532.

16、5.1催化劑的孔結構催化劑的孔結構5）孔徑分布（孔容積的分布）孔徑分布（孔容積的分布）指孔容積隨孔徑大小變化的關系指孔容積隨孔徑大小變化的關系大孔大孔：2000-100000 nm （2-100 m）過渡孔過渡孔：100-2000 nm微孔微孔：10-100 nm542.5.2 催化劑的孔內擴散催化劑的孔內擴散 根據根據分子的平均自由程分子的平均自由程與與孔徑大小比值孔徑大小比值的不同，反映出不的不同，反映出不同的擴散規律：同的擴散規律：55孔內擴散形式：孔內擴散形式：Knudsen擴散（努森）擴散、過渡區擴散、構擴散（努森）擴散、過渡區擴散、構型擴散、表面擴散。型擴散、表面擴散。2.5.2

17、催化劑的孔內擴散催化劑的孔內擴散56（1）Knudsen擴散（努森擴散、微孔擴散）擴散（努森擴散、微孔擴散） 氣體氣體濃度很低濃度很低或者或者孔徑很小時孔徑很小時，分子與孔壁碰撞幾，分子與孔壁碰撞幾率大于分子間碰撞，此種擴散稱為率大于分子間碰撞，此種擴散稱為努森擴散努森擴散。擴散阻力擴散阻力來自于分子與孔壁碰撞。擴散系數來自于分子與孔壁碰撞。擴散系數DK:9700 :KrcTDmTKMrM孔半徑（）溫度（ ）氣體的相對分子質量2.5.2 催化劑的孔內擴散催化劑的孔內擴散572.5.2 催化劑的孔內擴散催化劑的孔內擴散（2）過渡區擴散）過渡區擴散 指指介于介于努森擴散和體相擴散（分子擴散）之間努

18、森擴散和體相擴散（分子擴散）之間的擴散形式。的擴散形式。分子與孔壁碰撞和分子間碰撞均不能忽略。分子與孔壁碰撞和分子間碰撞均不能忽略。 二元體系過渡區二元體系過渡區擴散組合擴散組合的流通量可表示為：的流通量可表示為：1121111212222111(/)/1 (/112/0, )011/KKdYdxDp RT dYdxDNNNNNNNNN YDD：組分 的濃度梯度：體相擴散的有效擴散系數：努森擴散系數：組分 的擴散通量：組分 的擴散通量并流擴散：逆流擴散：582.5.2 催化劑的孔內擴散催化劑的孔內擴散（3）構型擴散）構型擴散 指指擴散系數擴散系數與與被吸附分子的大小被吸附分子的大小和和空間構型空間構型有關的擴散。有關的擴散。 催化劑的孔徑尺寸接近于分子大小催化劑的孔徑尺寸接近于分子大小，與反應物或產物分子，與反應物或產物分子的直徑處于同一數量級時，在某一孔徑的孔中，不同大小的分的直徑處于同一數量級時，在某一孔徑的孔中，不同大小的分子或者大小相近但子或者大小相近但空間構型不同的分子空間構型不同的分子，擴散系數差別很大。，擴散系數差別很大。 含有豐富微孔的多孔物質（如沸含有豐富微孔的多孔物質（如沸石分子篩，水合結晶硅鋁酸鹽）：石分子篩，水合結晶硅鋁酸鹽）： 2/2322nMO Al O mSiOpH O所特有的擴散形