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第四章 催化剂表征与测试 应化教研室 催化剂表征是任何一项重要的催化研究开发不可缺少的部分。使用一个性能不太了解的催化剂去进行催化研究，无异于用未知反应物去研究一个化学反应。 测量一些关键性的参数不仅为了检查每一个工序的效能，也是为了给催化剂产品提供规格。只有获得一些性质的指标才能正确地规定制备方法或作出修正。 工业产品质量借助适当的测试得到改进，对过程中出现的问题，诊断的第一步是测量催化剂已经发生的变化。 表征催化剂可提供三种不同但又相互联系的信息： 化学组成和结构表示催化剂的元素组成、结构和含量，表面的组成，可能呈现的表面功能基的性质和含量。 纹理组织包括宏观尺度和微观尺度，如颗粒大小和形状，孔结构、总表面积、物相间相互排列方式；机械性质指催化剂用于工业必须具备的性质，如抗磨损性、机械强度和抗热冲击性。 活性是指给定条件下，定量测定催化剂促进某种化学转化的能力。本质是单位数量催化剂上的反应速率或与之有关的量。 小规模装置上评价的活性不能准确估计大规模装置内催化性能，必须将两种数据加以经验关联，所以必须弄清催化反应器的性能，以便正确判断所测数据的意义。 4.1 表面积 4.2 孔结构(孔隙组织) 4.3 颗粒性质 4.4 机械性质和热性质 4.5 本体性质 4.6 表面性质 4.7 活性 4.1 表面积 多相催化反应过程的第一步是反应物向催化剂表面扩散，如果反应速度不受传质过程的限制，则反应速度与催化剂活性相的表面积有直接的关系，即催化剂的活性与比表面成比例。 由一定形状和大小颗粒组成的固体催化剂通常包含两类孔径： 介孔(mesopore)，孔半径1.5～15 nm，这类孔分布在沉淀过程中生成的微粒子内部； 大孔，孔半径15 nm，分 布在微粒子之间的空隙。 介孔和大孔占催化剂总表面积95%，又以介孔占大部分。理想的催化剂，即使只有几克，表面积就足有足球场大。因而催化剂的比表面积与肉眼看到的颗粒大小没有太大关系。 所以说，高比表面积的催化剂，颗粒外表面积只占总表面很小很小的一部分。单靠把催化剂多次分割，通过减小颗粒度来增加外表面，很有限。好方法是把物料做成多孔的，使催化剂颗粒中形成许多非常细小的通道或孔。 既然催化剂的活性与比表面积有直接关系，因此在比较不同催化剂的活性或不同的制备和处理方法对催化剂活性的影响时，比表面积的测量就成一项惯常的工作。 测量多孔固体总表面的方法是在气体或液体中，使特定的分子吸附到多孔固体表面。如果选择好条件，则固体表面完全被吸附物质所覆盖，且吸附为单分子层厚度。知道每个分子所遮盖的面积，则由吸附量就可直接求出样品的总表面积： 常用的吸附物是较小分子的气体或蒸汽，甚至连小到十分之几nm的空隙都能渗入；如果用脂肪酸或染料做吸附物，由于它们不能进入很细的微孔，根据他们的吸附量计算得到的表面积往往不能反映表面的情况。 一、物理吸附等温线 二、BET方程 三、BET法测表面积 一、物理吸附等温线 吸附等温线是在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力的关系曲线。前面提到，如果知道非专一性的单层吸附量就可以计算出总表面积。 Langmuir吸附等温线正是根据吸附剂表面是均匀的，吸附分子没有作用，吸附在单分子层情况达到平衡等假定推导出来的。如果实际情况都符合Langmuir吸附等温线的假定，就可以由Langmuir吸附等温线计算出吸附剂的总表面积。 但情况远非如此简单，在不同的多孔物质上，在接近吸附物沸点的温度进行不同吸附物的吸附，可以得到5种类型的吸附等温线，它们常常被称为Brunauer(布鲁诺尔) -Deming(戴明)-Deming(戴明)-Teller(泰勒)分类，简称BDDT分类。 将吸附等温线的形状与吸附剂的平均孔径 和吸附质―吸附剂相互作用强度关联起来，现在已为国际上公认。 第I型是符合Langmuir吸附等温线。 因被称为Langmuir型；但要说明，吸附等温线符合Langmuir型的，吸附情况不一定符合Langmuir的假定。 事实上，在非孔性物质上很少见到这类吸附 等温线；而对只含有非常细孔的物质，如活 性炭，硅胶，沸石等，这类吸附等温线却是 常见。 I型等温线是微孔吸附剂的特征。孔径和吸附分子大小属同一数量级，所以对形成吸附层的数目给予严格限制。 现认为，当相对压力1时，渐进线并不表示单层吸附而表示微孔完全充满，故吸附量不再随相对压力而增加。 根据Langmuir方程的推论，渐进线的值原来 表示单层吸附。 活性炭上，N2沸点(-195 ?C)进行氮吸附，或在 O2沸点(-183 ?C)进行氧吸附，吸附等温线都属 于I型。可逆化学吸附也是这种类型等温线。 第II型等温线， 有时叫作反S型等温线，曲线的前半段上升缓慢，呈向上凸的形状，后半段急剧上升，直到