多相催化

催化反应

多相催化指在两相（固-液、固-气、液-气）界面上发生的催化反应，工业中使用的催化反应大多属于多相催化。多相催化发生在催化剂的表面，因此，多相催化反应包含反应物分子在催化剂孔内的扩散、表面上的吸附、表面上的反应以及产物分子的脱附和孔内扩散等过程。对于催化剂来说，吸附中心常常就是催化活性中心。吸附中心和吸附质分子共同构成表面吸附络合物，即表面活性中间物种。反应物质在催化剂表面上的吸附改变了反应的途径，从而改变了反应所需要的活化能。没有吸附就没有多相催化，多相催化反应机理与吸附和扩散机理是不可分割的。

多相催化反应历程

在多相催化中有一个单独的催化剂相，这就使得多相催化反应的过程变得复杂起来。在反应条件下，反应物和产物多数为气态物质，而催化剂大多数采用多孔固体，其内部的表面积极其广大，一般每克催化剂的内表面积达数百平方米之多，颗粒的外表面积与之相比微不足道。化学反应主要是在催化剂的内表面上进行的。因此反应组分不仅要向外表面扩散，而且还要向颗粒内部扩散，然后在颗粒内表面上进行反应。产物则沿着相反方向从颗粒内表面向流体主体扩散。因此，多相催化反应要经历以下步骤：

①反应物向催化剂表面扩散；

②反应物在催化剂内表面上吸附；

③被吸附的反应物在催化剂表面上迁移、化学重排和反应；

④产物从催化剂表面上脱附；

⑤产物由催化剂表面向流动主体扩散。

传质过程

在反应条件下催化剂颗粒周围由反应物分子、产物分子和稀释剂等混合物组分形成一稳定层流层，一个反应物分子必须穿过此层流层才能到达催化剂颗粒的外表面。因为层流层阻碍这种流动，故在颗粒的外表面和气流层之间形成一浓度梯度。

流体与催化剂外表面处的传质阻力主要集中在围绕催化剂颗粒周围、厚度在1mm以下的层流边界层内。层内平行于颗粒表面的流体速度变化极大，在颗粒外表面处，流体速度为零，而在边界层与流体主体的交界处，其速度与流体主体的速度相等。因此流体的物理化学性质、流体力学性质将影响到传质速率，此外颗粒的粒度也影响到传递过程的速率。

传质系数kG随流体质量速度增加而增加，因而组分A从流体主体向催化剂外表面传递的速率也随流体质量速度增加而加快。这表明流体质量速度越低，外扩散对多相催化反应过程的影响越大。但大多数情况下，实际生产的流体质量速度相对较大，属于外扩散控制的多相催化反应过程不多。这种过程多是高温反应，如在Pt合金网上NH3及CH4氧化成HCN的过程，无孔Ag催化剂上CH3OH氧化成HCHO，在Ag催化剂上浓缩H2O的分解，汽车废气净化器中CO及烃类催化氧化等，外扩散阻力一般不可忽略，甚至为外扩散控制。

多相催化剂

多相催化剂又称非均相催化剂，呈现不同相的反应中，即和它们催化的反应物处于不同的状态。例如，在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。现已知许多催化剂具有发生吸附反应的不同可能性的结构位置。

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