现代催化化学

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辛勤,徐杰 编
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  • 表面化学
  • 多相催化
  • 均相催化
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  • 绿色催化
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出版社: 科学出版社
ISBN:9787030499837
版次:1
商品编码:11978505
包装:平装
丛书名: 催化与材料化学研究生教材丛书
开本:16开
出版时间:2016-09-01
用纸:胶版纸
页数:461
字数:615000
正文语种:中文

具体描述

内容简介

  《现代催化化学》的创作主旨是:能够给读者提供较为详尽、广博的催化专业基础知识。《现代催化化学》首先以催化作用的核心——活性中心的本质、结构、性能及调变规律的认识展开,以期让人们了解关于催化作用在理论上的认识过程。继而讲述催化剂制备科学,试图从*常用的催化剂制备过程阐明其化学原理。*后介绍催化化学的主要应用领域,即氨合成化学、石油炼制化学、三大合成催化(合成纤维、合成橡胶、合成树脂)、合成气化学、石油化工.精细化工、环境催化及生物质催化转化。
  《现代催化化学》适合催化化学、材料化学等相关专业的本科高年级学生、硕士研究生、博士研究生、青年教师和研究技术人员阅读学习。

内页插图

目录

“催化与材料化学研究生教学丛书”序
前言

第1章 催化活性中心/活性相概念的认知
1.1 引言
1.2 经典的催化基础研究(1900~1960年)
1.2.1 在金属催化剂表面的化学吸附
1.2.2 化学吸附的分子轨道描述
1.2.3 化学吸附的主要研究方法
1.2.4 金属催化剂的d电子理论
1.2.5 在金属氧化物催化剂表面的化学吸附
1.2.6 表面键的研究
1.3 表面科学对催化研究的推动
1.3.1 活性相/活性中心的识别
1.3.2 氨合成活性相研究
1.3.3 探针分子的红外光谱
1.3.4 参与反应的活性相/活性中心的识别
1.4 纳米科学与技术对催化科学的冲击
1.4.1 催化剂活性中心/活性相粒子大小、分布、组成、结构的控制合成和表征
1.4.2 催化剂活性中心/活性相的形貌控制
1.4.3 在多孔材料孔中活性相的调控和表征
1.4.4 纳米反应器的设计合成
1.4.5 全紫外.可见区激光共振拉曼光谱
1.4.6 多孔催化材料合成原位表征
1.4.7 催化中的限域效应
1.5 展望
参考文献

第2章 固体催化剂制备技术原理
2.1 引言
2.2 本体催化剂
2.2.1 沉淀/共沉淀法
2.2.2 溶胶.凝胶法
2.3 负载催化剂
2.3.1 金属离子在载体表面的吸附
2.3.2 浸渍法
2.3.3 沉积沉淀法
2.4 固体催化剂制备技术进展
2.4.1 微波和等离子体技术
2.4.2 原子层沉积法
2.4.3 微/纳乳液法
2.5 结语和展望
参考文献

第3章 氨合成化学
3.1 引言
3.2 工业合成氨过程
3.2.1 原料气制取
3.2.2 原料气净化
3.2.3 氨合成及其热力学
3.3 氨合成催化剂
3.3.1 催化剂的化学组成
3.3.2 熔铁催化剂的制备过程与化学反应
3.3.3 氨合成催化剂的还原
3.3.4 熔铁催化剂的结构
3.4 氨合成催化反应机理
3.4.1 氢气和氮气的活化
3.4.2 氮化物的形成
3.4.3 基元步骤
3.4.4 氨合成反应机理
3.4.5 氨分解反应机理
3.4.6 结构敏感与结构非敏感反应
3.5 氨合成总包反应动力学
3.5.1 Temkin方程式
3.5.2 Temkin-Pyzhev氨合成反应速率方程
3.5.3 氨合成反应宏观动力学
……
第4章 石油炼制催化作用
第5章 三大合成催化
第6章 合成气化学
第7章 石油化工-精细化工
第8章 环境催化
第9章 生物质催化转化
作者简介

前言/序言

  催化科学和技术遍及人们生活的各个领域,从衣、食、住、行到环境、健康、生命及国防安全。当前中国的石油炼制能力已经超过5亿吨/年,炼钢产能超过亿吨/年,化肥生产量居世界首位,亦已成为世界最大的三大合成材料(合成纤维、合成橡胶、合成树脂)生产国和需求国。据统计,化学工业的80%产值是经催化作用取得,占国民经济GDP约20%,可见其重要性。了解和掌握由成千个反应和上万种催化剂构成的庞大知识领域,对催化和材料专业研究生教育至关重要。本书《现代催化化学》和它的姊妹篇《现代催化研究方法》(将于2017年由科学出版社出版第二版)能够给其一个广博和扎实的专业基础。根据目前中国的国情,对催化科学和技术的需求是大量的、多方面的。各高等院校、企事业研究单位和科研院所从事催化、材料相关研究的队伍相当庞大,尽快普及和提高这方面的专业知识有重要意义和广阔的前景。
  近年来,国内催化化学的书有几本,多是从反应种类(反应别)来阐述或是按催化剂材料种类(元素别)来撰写的,有的则是两者的混合,这些写法可以方便于深刻阐述其作用原理、反应机理、科学分类等。但是,由于催化化学的领域庞大且繁多,例如,在石油炼制领域就有上千种催化剂和上百个反应,学生在走向工作岗位时或实际应用时往往很难“对接”。为了便于实用,本书采取按领域分类,进一步吸取按催化材料分类和按反应分类的优势重点介绍其关键命题的原理作为本书的经纬。另外,本书兼顾“路线图”、“网络性”和“科学性”三个方面的作用,试图有利于读者同实际“对接”。
  为此,本书第一章以催化作用的核心——活性中心的本质、结构、性能及调变规律的认识展开,以期给人们理论上的认识。继而在第二章讲述催化剂制备科学,试图从最常用的催化剂制备过程阐明其化学原理,达到举一反三的作用。其后各章,相继介绍催化化学的主要应用领域:氨合成化学、石油炼制化学、三大合成、合成气化学、石油化工一精细化工、环境催化和生物质催化转化。
《光影炼金术:催化科学的艺术与未来》 在这本引人入胜的书籍中,我们将踏上一场探索物质转变奥秘的旅程,深入理解催化这一古老而又充满活力的科学领域。不同于纯粹的理论分析,《光影炼金术》以一种更具艺术性和前瞻性的视角,揭示催化剂如何在微观世界中扮演“魔术师”的角色,引导反应以惊人的效率和选择性发生,从而深刻地改变着我们的世界。 本书并非机械地罗列各种催化反应和物质,而是力求展现催化科学背后的智慧与创新。我们将首先回顾催化科学的起源,从早期对自然界催化现象的观察,到工业革命时期催化剂的初步应用,再到现代科学对催化机理的深入洞察。您将了解到,从氨的合成到石油的精炼,从药物的制造到环境保护,催化剂的身影无处不在,它们是现代工业的基石,也是可持续发展的关键驱动力。 然而,《光影炼金术》的精彩之处远不止于此。我们将深入探讨催化剂的“设计哲学”。理解催化剂如何被“创造”出来,需要跨越物理、化学、材料科学乃至工程学的边界。书中将生动地介绍各种新型催化材料的研发过程,例如纳米材料的精准构筑、多相催化剂的界面工程、以及酶促催化的高效选择性。您将看到科学家们如何通过调控催化剂的结构、电子性质和表面特性,来“量身定制”它们的反应活性和选择性,以满足日益复杂多样的化学转化需求。 本书还将聚焦于催化科学在应对全球性挑战中的关键作用。气候变化、能源危机、环境污染等问题,都与化学过程息息相关,而催化技术正是解决这些问题的利器。我们将详细阐述如何利用催化剂实现更清洁的燃料生产,例如利用太阳能将二氧化碳转化为有价值的化学品,或者开发更高效的生物燃料生产技术。同时,书中也将探讨催化剂在空气净化、废水处理等环保领域的应用,展示它们如何帮助我们构建一个更可持续的未来。 更重要的是,《光影炼金术》将带领读者展望催化科学的未来图景。随着人工智能、大数据和先进表征技术的飞速发展,我们对催化过程的理解正以前所未有的速度深化。书中将探讨如何利用计算化学和机器学习来加速催化剂的发现和优化,以及如何设计更智能、更具适应性的催化体系。您将了解到,未来的催化科学将更加注重原子尺度的精准控制,更加倾向于绿色、可持续的反应途径,并且能够应对更具挑战性的化学转化任务,例如复杂分子的精准合成和生物功能的模拟。 本书的语言风格力求深入浅出,避免枯燥的学术术语堆砌,而是通过生动的比喻、引人入胜的故事和富有启发性的案例,将复杂的催化原理转化为易于理解的知识。每一章节都将引领读者发现催化科学的独特魅力,感受科学家们在探索物质转化过程中的智慧与激情。 《光影炼金术》不仅仅是一本关于催化剂的书,它更是关于人类智慧如何驾驭物质世界,创造无限可能性的颂歌。它将激发您对化学世界的无限好奇,并让您深刻认识到催化科学在我们现代社会中不可或缺的地位,以及它为人类未来发展所带来的光明前景。无论您是化学领域的专业人士,还是对科学充满热情的普通读者,这本书都将为您打开一扇通往精彩纷呈的催化科学世界的大门。

用户评价

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在阅读《现代催化化学》的过程中,我最受益匪浅的部分,莫过于其对“催化剂设计”这一核心议题的深入探讨。这本书并没有停留在理论层面,而是非常注重实践应用,将复杂的催化剂设计过程分解为一系列可操作的步骤和考量因素。它详细介绍了如何根据特定的反应需求,选择合适的载体材料,如何通过各种形貌控制技术(如溶胶-凝胶法、沉淀法等)来优化催化剂的表面积和孔道结构,以及如何通过浸渍、共沉淀等方法将活性组分均匀地负载在载体上。最令我惊叹的是,书中还专门开辟章节阐述了“催化剂的活化与失活机理”,这部分内容对于理解催化剂的实际性能和延长其使用寿命至关重要。作者通过分析诸如烧结、积碳、中毒等常见的失活原因,并提出相应的解决方案,这对于我们这些在实验室或者实际生产中遇到类似问题的人来说,无疑是及时雨。书中还引用了大量最新的研究案例,例如在环境保护领域,关于新型汽车尾气催化剂、工业废气净化催化剂的设计与应用,以及在新能源领域,如燃料电池催化剂、光催化制氢催化剂的最新进展,都让我大开眼界。这些案例不仅展示了催化化学的巨大潜力和实际价值,也为我提供了很多研究思路和技术启示。我曾一度认为催化剂的设计是一种“经验主义”的艺术,但读完这本书,我才意识到,在看似复杂的背后,隐藏着一套严谨的科学原理和精巧的设计策略。

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在我阅读《现代催化化学》的过程中,对其在“绿色催化”和“可持续化学”领域的前瞻性探讨,给我留下了非常深刻的印象。这本书并非仅仅关注催化反应的效率和产率,而是将环境友好和资源节约的理念贯穿其中。它详细介绍了如何利用催化技术来减少化学工业对环境的污染,例如在“三废”处理中的应用,如催化燃烧、催化氧化、催化还原等,以及如何开发更环保的催化剂材料,例如使用非贵金属催化剂替代昂贵的贵金属催化剂,或者利用生物质等可再生资源作为催化剂的载体或活性组分。书中还特别强调了“原子经济性”的概念,即在化学反应中,尽可能地将反应物中的所有原子都转化为目标产物,从而减少副产物的产生和废弃物的排放。我对此深有体会,因为在很多传统的化学合成方法中,都会产生大量的副产物和废弃物,不仅增加了后处理的成本,也对环境造成了巨大的压力。这本书提供了一种全新的视角,即通过精巧的催化剂设计和反应条件的优化,来实现高效、清洁、可持续的化学合成。书中对“生物催化”和“光催化”等新兴催化技术在绿色化学中的应用也进行了广泛的介绍,这让我看到了未来化学工业发展的巨大潜力。

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《现代催化化学》这本书在“催化剂的表征与性能评价”这一块,其详尽的程度让我感到非常震撼。以往我对于催化剂性能的评价,多半停留在几个简单的宏观指标上,比如转化率、选择性、产率。但这本书则将评价体系提升到了一个全新的高度。它详细介绍了一系列用于量化和深入理解催化剂性能的先进技术和方法。例如,在微观层面,书中介绍了如何利用“程序升温还原/氧化”(TPR/TPO)来研究催化剂上金属组分的还原/氧化状态和活性,如何利用“程序升温脱附”(TPD)来研究催化剂表面的吸附性质和活性位点的性质。在宏观层面,书中详细阐述了如何进行“催化活性筛选实验”,以及如何根据实验结果进行“催化剂的性能排序和优化”。我印象尤其深刻的是,书中对“催化剂的稳定性评价”的深入讨论,它不仅仅是简单地进行长时间的连续运转测试,而是通过模拟各种苛刻的工况条件,例如高温、高压、腐蚀性气氛等,来考察催化剂在实际应用中的寿命和失效模式。书中还探讨了如何通过“原位表征技术”,例如在反应过程中同步进行光谱、电化学或者显微镜等表征,来实时监测催化反应机理和催化剂的动态变化,这对于深入理解催化过程中的真实活性物种和转化路径具有极其重要的意义。

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作为一个对化学领域,尤其是催化化学抱有浓厚兴趣的业余爱好者,我最近有幸翻阅了《现代催化化学》这本书。坦白讲,这本书的深度和广度都远超我之前的预期,它并非一本轻松易读的科普读物,更像是一部为化学专业学生、研究人员甚至资深从业者量身打造的深度指南。从我个人的阅读体验出发,这本书的开篇部分就给我留下了深刻的印象。它没有像某些入门书籍那样,从最基础的化学概念开始,而是直接切入了催化化学的核心——反应机理和催化剂的设计原理。这种“开门见山”的方式,对于我这种已经具备一定化学基础的读者来说,反而更具吸引力。书中对不同类型催化剂的分类、各自的优势与局限性进行了细致的阐述,例如对均相催化和非均相催化在机理上的差异、在工业应用中的权衡取舍,都描绘得非常生动。我尤其对其中关于“活性位点”的概念讲解印象深刻,作者通过大量的实例,说明了如何通过精准调控催化剂表面的活性位点来提高催化效率和选择性,这一点在我看来是催化化学领域最迷人的地方之一,也是本书最引以为傲的价值所在。书中对能量势垒、过渡态理论等理论概念的引入,虽然稍显晦涩,但通过配以大量的图示和化学反应方程式,使得抽象的理论变得可视化,更容易理解。我曾尝试阅读过一些零散的催化化学资料,但往往难以形成系统性的认知,《现代催化化学》恰恰填补了这一空白,它将分散的知识点串联起来,构建了一个完整且逻辑清晰的催化化学知识体系。

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我对《现代催化化学》最深刻的感受之一,是它对于“催化剂表征技术”的全面而深入的介绍。在此之前,我对于如何“看懂”一个催化剂,仅仅停留在一些基础的物理化学性质层面。然而,这本书为我打开了一扇全新的大门。书中详细列举了各种用于分析催化剂结构、组成、表面性质以及电子状态的先进技术,例如X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、程序升温脱附(TPD)等等。对于每一种技术,书中不仅介绍了其基本原理,更重要的是,它通过大量真实的谱图和图像数据,演示了如何解读这些数据,并从中提取出关于催化剂性能的关键信息。例如,通过XRD可以判断晶体结构和粒径,通过TEM可以观察纳米颗粒的形貌和分布,通过XPS可以分析元素价态和表面覆盖度。我印象尤其深刻的是,书中将这些表征技术与催化剂的设计和性能优化紧密结合起来,说明了如何在催化剂开发过程中,利用这些先进的表征手段来指导改进方向,验证设计思路的有效性。这种“用科学的眼睛去审视催化剂”的能力,对于任何想要在催化领域有所建树的人来说,都至关重要,而《现代催化化学》无疑提供了一个非常好的学习平台。

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当我翻开《现代催化化学》的最后一章,我感到一种意犹未尽的充实感。这本书的最后部分,对“催化化学的未来发展趋势”进行了展望,这一点让我尤为赞赏。作者并没有将目光局限于现有的技术和理论,而是积极地预测了未来催化化学可能的发展方向,以及面临的机遇和挑战。书中重点提到了“人工智能在催化剂设计中的应用”,例如如何利用机器学习和大数据分析来加速新型催化剂的发现和优化。这让我看到了一个全新的研究范式,即从传统的“试错法”向“理性设计”的转变。此外,书中还对“仿生催化”和“量子催化”等前沿领域进行了介绍,这些领域的研究旨在模拟自然界的催化过程,或者利用量子力学原理来理解和设计催化剂,它们都代表着催化化学的下一个突破口。我尤其对书中关于“能源催化”的讨论印象深刻,随着全球能源危机的日益严峻,催化技术在开发新型清洁能源(如氢能、太阳能)和提高能源利用效率方面将扮演越来越重要的角色。这本书让我深刻地认识到,催化化学不仅是基础科学研究的一个重要分支,更是解决人类社会面临的能源、环境和可持续发展等重大挑战的关键技术。它让我对催化化学的未来充满了信心和期待。

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《现代催化化学》在“催化剂的失活与再生”这一章节的论述,可以说是将理论知识与实际工业生产紧密结合的典范。在现实的化工生产中,催化剂的失活是一个普遍存在且亟待解决的问题,它直接影响着生产的连续性、成本和安全性。《现代催化化学》并没有回避这个问题,而是对其进行了深入的剖析。书中详细列举了多种催化剂失活的机理,包括物理失活(如烧结、堵塞、积碳)和化学失活(如中毒、烧结、活性组分浸出)。对于每一种失活机理,书中都提供了具体的实例和相应的解决方案。例如,对于积碳失活,书中介绍了通过调整反应气氛、使用抗积碳添加剂或者设计具有更光滑表面的催化剂来抑制积碳的形成。对于中毒失活,书中则强调了在原料预处理中去除毒物的重要性,并且介绍了一些能够抵抗特定毒物的催化剂设计策略。更令人欣喜的是,书中还详细介绍了“催化剂的再生技术”,包括物理再生(如振动、吹扫)和化学再生(如氧化、还原、洗涤)等方法,并讨论了不同再生方法在处理不同类型失活催化剂时的适用性和效果。这部分内容对于我这种经常需要面对催化剂性能衰退问题的读者来说,具有非常高的实用价值,它不仅教会我如何识别催化剂的失活原因,更重要的是,为我提供了解决问题的具体方法和技术手段。

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我不得不说,《现代催化化学》这本书在“多相催化”方面的论述,是我接触过的所有资料中最系统、最全面的一部。虽然书中也涉及了均相催化,但其在多相催化领域的深度和广度,确实令人印象深刻。它不仅仅停留在介绍不同类型的多相催化剂(如金属氧化物、贵金属、沸石等)及其应用,而是深入剖析了多相催化体系中特有的传质和传热过程,以及催化剂表面与气相或液相反应物之间的复杂界面。书中详细讨论了“催化剂床层内的扩散阻力”和“催化剂颗粒内的扩散阻力”对整体反应速率的影响,并引入了“Thiele模块”和“Weisz-Prater准则”等概念来评估内扩散传质的影响。这部分内容对于理解为何在工业放大过程中,实验室的催化效率会大打折扣,提供了科学的解释。此外,书中还对“催化剂的制备方法”进行了详尽的介绍,从传统的沉淀法、浸渍法,到更先进的纳米材料制备技术,都进行了详细的阐述。特别是对“负载型催化剂”的制备和优化,书中提供了非常多的实用技巧和理论指导。例如,如何控制纳米粒子的尺寸和形貌,如何提高活性组分在载体上的分散度和稳定性,这些都是影响多相催化剂性能的关键因素。

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《现代催化化学》在讨论“催化剂选择性”这一关键性能指标时,展现了其高度的理论深度和广泛的实践指导意义。我一直认为,在催化反应中,仅仅提高反应速率是不够的,更重要的是能够精确地控制反应生成目标产物,避免副反应的发生。这本书对此进行了非常系统和详尽的论述。它从分子层面出发,解释了为什么催化剂的几何结构和电子结构会影响其对不同底物和中间产物的吸附能力,进而影响反应路径的选择。书中对“区域选择性”、“立体选择性”和“化学选择性”等概念的阐述,都配以了大量的具体例子,比如在不对称催化领域,如何设计手性催化剂来获得高对映选择性的产物,以及在多组分反应中,如何通过调控催化剂来优先生成某个特定产物。我尤其欣赏书中关于“副反应抑制策略”的讨论,它不仅指出了可能导致副反应发生的机理,还提出了多种有效的抑制方法,如调整反应温度、压力、溶剂,改变催化剂的酸碱性,或者采用协同催化的策略。这些内容对于在实际应用中遇到选择性不高问题的科研人员和工程师来说,具有极高的参考价值。它提供了一种解决问题的思路,不再是凭空猜测,而是基于对反应机理的深刻理解,有针对性地进行优化。

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《现代催化化学》这本书的章节安排非常巧妙,它循序渐进地引导读者深入理解催化过程的本质。在对基础概念进行铺垫之后,书中花了相当大的篇幅来讲解“催化反应动力学”和“催化反应器工程”。我个人对于动力学部分尤其感兴趣,它不像我之前读过的某些书籍那样,只是简单地罗列几个公式,而是通过引入朗缪尔-欣歇尔伍德机理、埃林厄姆图等概念,深入剖析了不同反应机理对动力学参数的影响。书中对非稳态动力学和稳态动力学的区别与联系也进行了清晰的阐述,并结合实际的催化反应案例,演示了如何通过实验数据拟合动力学模型,从而优化反应条件。而关于反应器工程的部分,则将催化反应从实验室的烧瓶转移到了工业生产的反应釜。书中详细介绍了各种类型的催化反应器,如固定床反应器、流化床反应器、管式反应器等,并对它们的结构特点、传质传热过程、以及在不同催化反应中的适用性进行了深入分析。特别是关于“催化剂床层传质传热阻力”的讨论,让我对工业催化过程中的效率瓶颈有了更直观的认识。这种从微观的分子反应机理到宏观的工业生产过程的连接,是本书的一大亮点,它使得催化化学的应用价值得到了充分的体现,让我不再仅仅将催化剂视为一个神奇的物质,而是理解其在整个化工生产链条中的关键作用。

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很全面,适合研究生使用

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看了内容,很详实,讲解仔细

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