什么是金属催化剂?

[拼音]：jinshu cuihuaji

[外文]：metal catalysts

能改变化学反应速度而本身又不成为反应最终产物组分的金属物质。1822年德国人德贝赖纳(J.W.Dberei-ner)发现铂粉会使氢激裂燃烧，这种现象是金属催化作用的较早例子。1835年，瑞典化学家贝采利乌斯（J.J.Berzelius）将“催化”这一名词引进化学领域，催化和催化剂理论才发展起来。

催化反应分为均相和多相两种。在化学工业中，使用多相催化反应生产出来的产品约占催化法生产的产品总量的80～90％。多相催化法所使用的多相催化剂是固体催化剂，金属催化剂是其中的一个重要类别。金属催化剂主要用于加氢反应和脱氢反应，也用于氧化反应。元素周期表中的过渡金属是有效的加氢、脱氢催化剂，可分为贵金属系和一般金属系。贵金属系催化剂以铂和钯为主，钌、铑、铱等也经常使用。一般金属系催化剂为镍、钴、铁、铜、铼等，其中以镍和钴用得最多。金属催化剂对化学工业及石油化学工业的发展具有重要意义。例如，氨合成、烃类加氢、羰基合成、烷烃脱氢、醇脱氢等反应都使用不同种类的金属作催化剂。

（1）活性 是催化剂的催化作用能力。在工业中是以一定条件下单位体积（或重量）催化剂在单位时间内所得到的产品数量来表示。部分金属催化剂活性大小见表。

（2）选择性 是指催化作用的专一性，即在一定条件下某种催化剂只对某种化学反应起加速作用。催化剂的选择作用可使人们按照需要合成各种产品。

（3）稳定性 是指催化剂的使用寿命。为了保持催化剂的活性及选择性，要求催化剂在使用过程中必须性能稳定，能够抗毒（即不降低其活性），不发生碎裂，才能有较长的使用寿命。

工业金属催化剂的要求是活性高、选择性好、稳定性强。这些性能不仅取决于金属催化剂组成，而且取决于活性金属的晶体结构、粒子大小、比表面积、孔结构（平均孔径、孔隙率）和分散状态等因素。

催化剂除了金属活性组分以外，还要添加少量助催化剂和载体，以改善催化性能。助催化剂本身没有活性或者活性很小，但能提高金属活性组分的活性和选择性，延长使用寿命。如在合成氨反应过程中使用Fe3O4还原制得的纯铁作催化剂时，加入助催化剂Al2O3，可显著减缓α-Fe微晶增长速度，使催化剂的寿命由几小时增加到几年。载体是催化剂活性组分的分散剂或支持物。载体的作用是增加催化剂的有效表面，提供合适的孔结构，提高抗拉强度和热稳定性。使用载体可将贵金属分散支持在体积松大的物质上，代替整块材料使用，以节约贵金属材料(钯、铂等)。催化剂载体常用的有三氧化二铝、硅胶、活性炭等。

金属催化剂的制备主要有沉淀、浸渍、熔融等方法。依据原料性质和反应条件，可制成粉状、条状、层状及其他形状。沉淀法是在搅拌条件下将沉淀剂加入金属盐类溶液中，生成的沉淀物经过洗净、过滤、干燥和焙烧等过程便制得催化剂。此法常用于制备单组分和多组分催化剂。浸渍法，是将含活性金属组分的溶液浸入载体，经干燥、煅烧、活化等过程制成催化剂。熔融法，是将活性金属与能溶于碱的金属熔融制成合金，再破碎成粉末，用碱溶去不需要的金属组分，得到骨架结构的活性金属，也称为骨架催化剂。

具有高活性的金属催化剂在使用过程中活性会逐渐下降。这种现象是催化剂中毒、烧结和积碳等因素引起的。催化剂中毒往往是由于反应原料中混入使催化剂失掉活性的微量“毒”物。因此要精制原料，去除毒物。烧结是指催化剂的活性组分颗粒聚集成团或产生表面熔化现象。严格控制工艺参数，避免催化剂温度过高，可以减缓发生中毒和烧结等现象。积碳是由于催化剂的导热性能不良，或孔隙过细时，在催化剂表面发生的。通常，积碳可用灼烧法除去。

参考书目

朱洪法编：《催化剂载体》，化学工业出版社，北京，1980。G.C.Bond， Catalysis by metals， Academic Press，London，1962.