在解决能源问题时,催化剂有哪些重要作用?

Question

在解决能源问题时,催化剂有哪些重要作用?

Answer 1

1.催化剂
催化剂是加快或减慢所对应的化学反应速率,却不改变化学反应热力学平衡位置,而自身质量和化学性质在化学反应前后没有发生变化的试剂.当催化剂的作用是加速反应速率时,称为正催化剂.当催化剂的作用减慢反应速率时,称为负催化剂或阻化剂.
2.催化剂的组成
四部分：主催化剂,共催化剂,助剂,载体
A：主催化剂（主活性组分）: 在催化剂中产生活性的组分, 没有它Cat.就没有活性.如：SO2氧化Cat,为V2O5-K2O-CaO/SiO2,加入K2O、 CaO可提高Cat.活性, 但无V2O5, Cat.无活性.
B：共催化剂：即和主催化剂同时起作用的组分.如：CuO-ZnO-Al2O3, CuO有好的活性,ZnO有活性,两者结合起来活性最好,所以ZnO为共催化剂.
C：助催化剂：（助剂,促进剂）本身无活性或活性较小,加入少量后,可大大提高Cat.的活性、选择性、寿命、稳定性等性能的物质.
D：载体：担载活性组分和助剂的物质.足够机械强度、多孔性的物质, 活性组分和助剂分散在上面.
3.物理吸附与化学吸附的区别与联系
物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力,即所谓的范德华力.因此,物理吸附又称范德华吸附,它是一种可逆过程.
化学吸附是固体表面与被吸附物间的化学键力起作用的结果.这类型的吸附需要一定的活化能,故又称“活化吸附”.
表2-2 物理吸附与化学吸附的区别
比较项物理吸附化学吸附
吸附过程可逆往往是不可逆的,而且脱附后,脱附的物质常发生化学变化不再是原有的性状
吸附热近于液化热（1～40kj?mol-1）近于反应热（1～40kj?mol-1）
吸附力范德华力 弱化学键力 强
吸附层单分子层或多分子层仅单分子层
吸附选择性无有
吸附速率快慢
吸附活化能不需需要、且很高
吸附温度低温较高温度
吸附层结构基本同吸附质分子结构形成新的化合态

联系：两类吸附可以同时相伴发生,不能认为某一吸附只有化学吸附而没有物理吸附,反之亦然.另外两类吸附的吸附热都可以用克劳修斯—克拉贝龙公式来计算.
4.汽车尾气的组成（汽油发动机）及三效催化剂（TWC）
汽车尾气（汽油发动机）的组成：CO,NOX,HC和铅(如果使用含铅汽油),PM(细微颗粒物),CO2,H2,O2,H2O,N2.其中碳氢化合物(CnHm)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx).这三种物质对人体都有毒害,其中CnHm及NOx在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾,危害更大.
三效催化剂(英文名为Three-Way Catalyst),简称TWC.这种催化剂的特性是用一种催化剂能同时净化汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CnHm)和氮氧化物(NOx),但为了发挥其催化性能,必须将空燃比经常控制在14.6±0.1附近,这种催化净化器具有较高的净化率,但需要有氧传感器、多点式燃料电子喷射、电子点火等闭路反馈系统相匹配.这种催化净化器是利用尾气中的O2、NOx为氧化剂,CO、CnHm（以CH2为代表）和H2为还原剂,是三个化学反应的进行,其中有两个是还原反应,一个是氧化反应.在理论空燃比附近可发生如下反应：
TWC反应方程式

5.车用尾气净化催化剂失活的原因
催化剂随着运转时间的延长,催化剂的活性会逐渐降低或者完全失去活性,这种现象叫做催化剂失活.导致催化剂失活的原因归纳起来主要有：Pb、S及油品添加剂中的Zn、P等吸附在催化剂表面活性部位造成的催化剂中毒,催化剂积碳及高温导致的催化剂烧结而造成的比表面下降等.
催化剂失活（老化）的原因如下：
(1)高温：当温度高于900摄氏度时,涂层表面的还原和贵金属的烧结导致有效催化区域的损失；
(2)不稳定操作：催化转化器内的温度骤变；
(3)中毒：存在某些污染物（如硫或磷等）,污染了涂层以及贵金属,并堵塞活性位从而导致活性催化区域的缩小.
催化剂失活的机理如下：
烧结：由于晶体生长而导致催化剂表面积变小.孔道结构坍塌从而造成活化涂层区域的缩小；
固固相迁移：由于化学变化而使催化剂的催化相变为非催化相
7.化石能源
化石能源就是指从地下开采出来动植物的遗骸在地层下经过上万年的演变形成的化石能源,其中如煤(植物化石转化),石油(动物体转化),天然气等都是化石能源