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催化剂的形成与发展

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二〇一七年四月十八日

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催化剂的形成与发展

摘要

在化工生产、科学家实验和生命活动中，催化剂都大显身手。例如，硫酸生

产中要用五氧化二钒作催化剂。由氮气跟氢气合成氨气，要用以铁为主的多分组

催化剂，提高反应速率。在炼油厂，催化剂更是少不了，选用不同的催化剂，就

可以得到不同品质的汽油、煤油。汽车尾气中含有害的一氧化碳和一氧化氮，利

用铂等金属作催化剂可以迅速将二者转化为无害的二氧化碳和氮气。酶是植物、

动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质，生物体的化学反应几乎都在酶的催

化作用下进行，酿造业、制药业等都要用催化剂催作。传统观点认为，是催化剂

与反应物生成了不稳定的中间产物，再生成了产物。现代观点认为，催化剂降低

了活化能，增加了活化分子数量，从而提高了反应速率。

但是对于催化剂的发现、形成、发展现状以及发展前景，很多人都不是很了

解。本文将介绍一些有关于催化剂的行成、发展与前景的简单背景和合理预测。

关键词：催化剂发展前景

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目录

一·催化剂的发现与行成……………………………………………………….1

1.催化剂的发现…………………..………………………………………1

2.催化剂的形成……………………………………………………………2

二·催化剂的发展现状………………………………………………………….2

1.全球发展现状……………………………………………………………2

2.催化工业的发展…………………………………………………………3

三·催化剂的发展前景…………………………………………………………..4

1.全球发展前景……………………………………………………………4

2.我国的发展前景………………………………………………………..4

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一·催化剂的发现与形成

催化剂又叫触媒。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1981年提出

的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准

Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。

在化学化工领域中，催化剂的出现为化学以至人类社会的发展都起到了极大

的推动作用。它解决了生活和生产过程中出现的许多难题，让人们的视野变得更

加得开阔，有效得推动了近代产业革命得快速发展。科学技术发展至今天，催化

在支撑国民经济可持续发展中发挥着极其重要的作用，在发国家催化对于经济的

直接和间接贡献已高达GNP20％－30％之多。

1.催化剂的发现

古代时，人们就已利用酶酿酒、制醋；中世纪时，炼金术士用硝石作催化剂

以硫磺为原料制造硫酸；13世纪，人们发现用硫酸作催化剂能使乙醇变成乙醚。

直到19世纪，产业革命有力地推动了科学技术的以展，人们陆续发现了大量的

催化现象。催化剂作用是在生产发展的同时为人们由浅入深地认识到的。在科学

纪元中，是贝采里乌斯于1836年最先用催化作用一词来描述有关痕量物质，本

身并不消耗而能够影响反应速率的各种各样的观察结果。贝采里乌斯引用的例子

是淀粉受酸催化水解为葡萄糖，金属离子对过氧化氢分解的影响，及铂在氢气和

氧气反应中的作用等。

1781年，帕明梯尔用酸作催化剂，使淀粉水解。1812年，基尔霍夫发现，

如果有酸类存在，庶糖的水解作用会进行得很快，反之则很缓慢。而在整个水解

过程中，酸类并无什么变化，它好像并不参加反应，只是加速了反应过程。同时，

基尔霍夫还观测到，淀粉在稀硫酸溶液中可以变化为葡萄糖。1817年，戴维在

实验中发现铂能促使醇蒸气在空气中氧化。1838年，德拉托和施万分别都发现

糖之所以能发酵成为酒精和二氧化碳，是由于一种微生物的存在。贝采里乌斯就

此提出，在生物体中存在的那些由普通物质、植物汁液或者血而生成无数种化合

物，可能都是由此种类似的有机体组成。后来，居内将这些有机催化剂称为“酶”。

1850年，威廉米通过研究酸在蔗糖水解中的作用规律，第一次成功地分析

了化学反应速度的问题，从此开始了对化学动力学的定量研究。1884年前后，

包括奥斯特瓦尔德在内的几位化学家研究了各种酸对酯的水解作用以及蔗糖转

化等现象的酸碱催化作用的解释，他认为催化剂现象的本质，在于某些物质具有

一种特别强烈的使原本没有它参加而速度很慢的反应加速的特殊性能。他说，任

何物质，如果它不参加到化学反应的最终产物中去，只是改变这个反应的速度即

称为催化剂。另外，他通过总结大量的实验结果，根据热力学第二定律，提出了

平衡的达成，不能改变平衡常数。1905年，勒·罗西诺和哈伯等人，根据化学

热力学的原理，研究计算了氢、氮和氨在各种温度和压力平衡情况后，利用各种

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催化剂的帮助，研究出从空气中的氮合成氨的实验方法。

2．催化剂的形成

在寻找催化剂和催化反应的过程的同时积累了大量的资料，使人们对催化剂

和催化作用的认识不断深入。关于催化反应的理论也逐步得以发展。催化剂为什

么能够改变化学反应的速度，而它本身在反应后又不发生化学变化呢？为了解释

这一问题，在19世纪初期，就已经有人提出关于催化剂在反应中生成中间化合

物的假说，认为催化剂之所以有所谓“催化能力”，是由于生成了中间化合物的结

果。

1806年，德索尔姆在克雷蒙在研究一氧化氮对二氧化硫氧化的催化作用时，

推想一氧化碳先与大气中的氧反应生成某种中间化合物。这一中间化合物再与二

氧化硫相互作用，此时把氧转交给后者，中间物质自身又变为一氧化氮。一氧化

氮可以再被空气氧化，之后再把氧交给二氧化硫。如果按照这种概念，这种均相

催化反应是交错地进行的氧化还原过程的综合。一个缺憾是他们没有提出具体的

反应的具体过程。邢歇伍德等人在1930年，以碘蒸气为催化剂进行乙醛蒸气的

加热分解反应，发现均相催化反应的速度常常与催化剂的深度成正比的。而在该

反应中，作为催化剂的碘蒸气的深度始终不变，邢歇伍德认为，这一事实说明由

于催化剂K先与某一反应物A或B相互作用，生成了活性的中间化合物X，此

中间化合物进一步转变而生成C并使催化剂再生。他们用以下形式表达上述反

应历程：

A+K=X+……

X+B=C+K……

可见，活性的中间化合物的假说因此得以进一步的证实和完善，催化理论也

得到了发展。

随着更多实验事实的发现和研究的不断伸入，人们发现催化剂作用不仅是

均相地进行，更多的是这一类反应则是在多相中进行。并且，这时反应物在相界

面上的浓度更大，这种现象被称为“吸附作用”。科学家们把吸附分为两种类型，

一种是简单的物理吸附；另一种是吸附的同时形成化学键，称为化学吸附，当然，

这一类完成是吸附的同时形成化学键，称为化学吸附，当然，这一类完成的过程

的。

二·催化剂的发展现状

1.全球发展现状

化学工业在全球经济发展、社会进步和人类生活水平的提高等方面做出了巨

大的贡献，但同时也给环境、生态平衡等带来了各种负面影响。进入21世纪后，

人类面临的最大挑战是环境保护和可持续发展。早在上世纪90年代便提出了“绿

色化学”的概念。关于这一概念，目前还没有一种统一说法，但从科学、环境和

经济角度出发，应该指的是“化学科学基础内容的更新，从源头治理污染，合理

利用资源和能源降低生产成本”。“绿色化学”大致可包括三个内容：一是原子经

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济性，实际是原子利用率，如乙烯氯醇法合成环氧乙烷，原子利用率为25%，

而乙烯在银催化剂下的部分氧化，原子利用率则为100%；二是采用无毒原料、

溶剂和催化剂，如传统甲基丙烯酸甲酯以剧毒HCN为原料，而1996年Shell

公司开发的丙炔和一氧化碳及甲醇为原料的一步法工艺，则以钯为催化剂，原子

利用率近100%，且避免使用剧毒HCN和强腐蚀性的H2SO4；三是可再生资

源利用(如生物质等)，其中酶催化可发挥重要作用。

目前，人类正面临着诸多重大挑战，如：资源的日益减少，需要人们合理开

发、综合利用资源，建立和发展资源节约型农业、工业、交通运输以及生活体系；

经济发展使环境污染蔓延、自然生态恶化，要求建立和发展物质全循环利用的生

态产业，实现生产到应用的清洁化。这些重大问题的解决无不与催化剂和催化技

术息息相关。因此，许多国家尤其是发达国家，非常重视新催化剂的研制和催化

技术的发展，均将催化剂技术作为新世纪优先发展的重点。经过长期的发展，催

化剂的应用领域已趋向如下局面：传统的石油化工技术基本趋于成熟，但需要新

催化剂以满足原料性质变差、产品升级换代以及日趋苛刻的环保要求；天然气化

工和煤化工在经济上还不能与石油化工竞争，所涉及的催化技术有很大的相似性；

用于高附加值化学品和药物中间体合成为主的精细化工催化技术相对较为分散，

发展迟缓，目前正在得到加强；以环境治理和环境保护为目的催化技术得到了广

泛的重视。新型催化剂、高效催化反应技术和催化新材料及催化剂制备共性技术

的创新是推动产业发展的核心。其中，环保用催化工艺及相应的新型催化剂、催

化剂制备精细化等的发展是关键，也是今后催化剂技术的主要发展方向。

石油化工工艺90%以上是催化反应过程，催化剂起着十分重要的作用，

催化技术已成为石化工业的核心技术。目前石油化工装置上使用的催化剂有

85%以上已立足于国内，有些催化剂在价格和性能方面与国外公司同类催化剂

相比具有竞争能力，在国际市场上占有了一定的市场份额。催化剂的国产化每年

可节省外汇2亿多美元，创造效益10多亿元。到2010年，我国炼油能力将

达到3亿-3.5亿t/a，乙烯生产能力将达800万-1000万t/a。作为石化工业

核心技术的催化技术在发展中还存在如下不足：催化剂研制开发创新力度不够，

配方研制多，装置研究少，一些催化剂品种更新换代速度较慢而制造成本比较高，

催化剂生产中环保问题尚未引起足够重视，技术成果转化和推广力度还不够大，

技术服务还不够到位等等。

2.催化工业的发展

从

19

世纪末至

20

世纪初，化学工业中利用催化技术的生产过程日益增多，

为适应对工业催化剂的要求，逐步形成了产品品种多、制造技术进步、生产规模

和产值与日俱增的催化剂工业。

20

世纪以前，催化剂工业处于萌芽时期。

1740

年英国医生

J.

沃德在伦敦附

近建立了一座燃烧硫磺和硝石制硫酸的工厂，接着，

1746

年英国

J.

罗巴克建立

了铅室反应器，生产过程中由硝石产生的氧化氮实际上是一种气态的催化剂，这

是利用催化技术从事工业规模生产的开端。

1831

年

P.

菲利普斯获得二氧化硫在

铂上氧化成三氧化硫的英国专利。

19

世纪

60

年代，开发了用氯化铜为催化剂使

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氯化氢进行氧化以制取氯气的迪肯过程。

1875

年德国人医

`

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E.

雅各布在克罗伊茨纳赫建立了第一座生产发烟硫酸的接触法装置，并制造所需的

铂催化剂，这是固体工业催化剂的先驱。铂是第一个工业催化剂，现在铂仍然是

许多重要工业催化剂中的催化活性组分。

19

世纪，催化剂工业的产品品种少，

都采用手工作坊的生产方式。由于催化剂在化工生产中的重要作用，自工业催化

剂问世以来，其制造方法就被视为秘密。

20

世纪初期，催化剂工业进入了奠基时期。在这一时期内，制成了一系列

重要的金属催化剂，催化活性成分由金属扩大到氧化物，液体酸催化剂的使用规

模扩大。制造者开始利用较为复杂的配方来开发和改善催化剂，并运用高度分散

可提高催化活性的原理，设计出有关的制造技术，例如沉淀法、浸渍法、热熔融

法、浸取法等，成为现代催化剂工业中的基础技术。催化剂载体的作用及其选择

也受医

`

学教育网搜集整理到重视，选用的载体包括硅藻土、浮石、硅胶、氧化

铝等。为了适应于大型固定床反应器的要求，在生产工艺中出现了成型技术，已

有条状和锭状催化剂投入使用。这一时期已有较大的生产规模，但品种较为单一，

除自产自用外，某些广泛使用的催化剂已作为商品进入市场。同时，工业实践的

发展推动了催化理论的进展。

整体来说，因为催化剂带来的巨大利益，催化剂工业已经正式进入了成熟时

期。

三·催化剂的发展前景

1.

全球发展前景

催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位，现在几乎有半数以上的化工

产品，在生产过程里都采用催化剂。例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫酸生产

采用钒催化剂，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中，都采

用不同的催化剂。所以催化剂还有很大的发展空间，将给我们的生活带来更多的

惊喜。

先来看一组数字，据总部位于美国宾夕法尼亚州的催化剂集团最新发布的报

告显示，未来五年需求增速最快的世纪用于石油化工的催化剂，预计将以每年

7.2%的速度快速增长，到2013年市场份额将达到43.4亿美元；用于聚合物

生产的催化剂将以年均5.4%的速度增长，2013年市场份额将达到43亿美元。

当前有一些因素在支撑着炼油和化工生产催化剂市场走强。其中最为重要的

一个因素是化工生产商和炼油商在原材料的消费上正在趋于更为重质的原料，包

括重质原油和沥青砂，这些需要更多的FCC和HPC催化剂。此外，由于当前全

球油价上涨，一些先前认为并不经济可行的替代燃料已经颇具竞争力，这将进一

步刺激合成气制燃料催化剂需求的增长。

2.我国的发展前景

鉴于我国的现实情况，我们应该坚持以下几点。

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1.我国石油化工催化剂的发展必须坚持、研究、探索、研究、开发、推广并

重的思路，不断推进催化剂更新换代。

2.抓住我国新催化剂材料和新催化剂在石油化工应用研究领域里取得的新

的技术生长点和创新点，组织力量，继续努力，取得新突破和新发展。

3.做到做到研究单位、生产厂和用户紧密结合，科、工、贸、产、学、研

紧密结合，共同推进催化技术发展。

4.组织各种技术小组，深入企业做好售前售后服务，帮助用户增加经济效

益，依靠我们的技术优势积极拓展国际市场份额。

5.强化制备工艺、设备和控制手段方面的研究，努力降低物耗、能耗，提

高产品收率。

6.转变环保观念，由传统的末端控制和治理转为全过程控制，从单纯的花

钱治理向节能降耗、减少污染要效益；大力研究开发环保事业需要的各类催化技

术和催化剂，开拓环保催化产业；研究开发有利环境的石油化工催化剂及成套生

产工艺技术，减少或避免二次污染，提高原材料、水、能源的使用效率，减少污

染物产生量和排放量。

参考文献：《化学之路—新编化学发展简史》

《国外催化剂发展概况》

《催化剂手册》