第1章工業催化發展概述/ 1

1.1催化概念的誕生1

1.2基礎化工催化工藝的開發期1

1.3煉油和石油化學工業的蓬勃發展時期2

1.4合成高分子材料工業的興起3

1.5擇形催化與新一代石油煉制工業4

1.6手性催化與制藥工業4

1.721世紀催化科學技術前沿6

1.7.1納米時代的催化研究：實驗方法和理論方法6

1.7.2催化反應追求的目標9

1.7.3催化反應的激活手段9

1.7.4超分子催化9

1.7.5單原子催化10



第2章固體催化劑的結構基礎/ 12

2.1固體中鍵合結構類型12

2.2晶體結構13

2.2.1晶格、晶面及其標記13

2.2.2填充分數14

2.2.3表面層外氣-固界層的結構16

2.2.4體相和表相結構的不完整性16

2.3分子表面化學18

2.3.1潔淨固體表面的集合結構特征18

2.3.2潔淨固體表面的弛豫和重構19

2.3.3吸附單分子層的有序化膜20

2.4固體能帶結構簡介22



第3章吸附與多相催化/ 25

3.1催化作用與催化劑25

3.1.1催化作用的定義與特征25

3.1.2催化劑的組成與載體的功能27

3.1.3對工業催化劑的要求32

3.2三個重要的催化概念35

3.3分子的化學吸附36

3.3.1吸附等溫式36

3.3.2金屬表面上的化學吸附39

3.3.3氧化物表面上的化學吸附43

3.4多相催化的反應步驟45

3.4.1外擴散45

3.4.2內擴散46

3.4.3反應物分子的化學吸附47

3.4.4表面反應48

3.4.5產物的脫附48



第4章固體催化劑及其催化作用/ 49

4.1酸堿催化劑及其催化作用49

4.1.1固體酸、堿的定義和分類49

4.1.2固體表面的酸、堿性質及其測定50

4.1.3酸、堿中心的形成與結構53

4.1.4固體酸、堿的催化作用57

4.1.5超強酸及其催化作用59

4.1.6超強堿及其催化作用61

4.1.7雜多化合物及其催化作用62

4.1.8離子交換樹脂催化劑及其催化作用65

4.2非納米分子篩催化劑及其催化作用67

4.2.1分子篩的結構構型68

4.2.2分子篩催化劑的催化性能與調變71

4.2.3中孔分子篩催化劑及其催化作用75

4.3金屬催化劑及其催化作用77

4.3.1金屬和金屬表面的化學鍵78

4.3.2金屬催化劑催化活性的經驗規則81

4.3.3負載型金屬催化劑的催化活性82

4.3.4金屬簇狀物催化劑84

4.3.5合金催化劑及其催化作用85

4.3.6非晶態合金催化劑及其催化作用85

4.3.7金屬膜催化劑及其催化作用87

4.4金屬氧化物催化劑及其催化作用90

4.4.1半導體的能帶結構及其催化活性90

4.4.2氧化物表面的MO性質與催化劑活性、選擇性的關聯92

4.4.3復合金屬氧化物催化劑的結構化學94

4.5金屬硫化物催化劑及其催化作用98

4.5.1加氫脫硫及其相關過程的作用機理99

4.5.2重油的催化加氫精制100

4.6納米催化101

4.6.1小尺寸效應101

4.6.2表面效應102

4.6.3界面效應103

4.6.4納米限域效應104



第5章絡合催化與聚合催化/ 105

5.1概述105

5.2過渡金屬離子的化學鍵合106

5.2.1絡合催化中重要的過渡金屬離子與絡合物106

5.2.2配位鍵合與絡合活化106

5.3絡合催化中的關鍵反應步驟107

5.3.1配位不飽和與氧化加成107

5.3.2穿插反應109

5.3.3β-氫轉移109

5.3.4配位體解離和配位體交換110

5.4絡合催化循環110

5.4.1絡合催化加氫110

5.4.2絡合催化氧化111

5.4.3絡合異構化112

5.4.4羰基合成與氫甲酰化112

5.4.5甲醇絡合羰化合成乙酸113

5.5配位場的影響114

5.5.1空位概念和模板效應114

5.5.2反式效應114

5.6均相絡合催化劑的固相化技術114

5.6.1一般的固載方式115

5.6.2載體的類型116

5.6.3錨定絡合物核的多重性117

5.7無金屬的均相催化——有機小分子催化118

5.8聚合催化120

5.8.1Ziegler-Natta催化劑121

5.8.2Phillips型催化劑122

5.8.3茂金屬聚合催化劑122

5.8.4非茂後過渡金屬聚合催化劑124



第6章光催化與電催化/ 125

6.1環境友好的催化技術125

6.1.1“零排放”與綠色化學125

6.1.2“原子經濟”“E因子”與綠色化工生產128

6.1.3環境友好催化技術案例分析128

6.2光催化技術130

6.2.1光化學反應基礎131

6.2.2光催化基本原理131

6.2.3半導體光催化劑性能的調變133

6.2.4環境光催化——光催化治理環境污染物136

6.2.5能源光催化——光催化水制氫139

6.3電催化技術144

6.3.1電化學基本知識144

6.3.2電催化反應機理145

6.3.3電極的催化作用147

6.3.4電催化與燃料電池148

6.3.5電催化水制氫152

6.3.6電催化CO2還原153



第7章生物催化/ 156

7.1生物催化劑的類別156

7.2生物催化反應的特征157

7.3酶的繫統分類和繫統命名158

7.4酶的功能與反應動力學158

7.5影響酶催化反應的因素160

7.6生物催化技術的應用161

7.6.1在手性化合物合成上的應用161

7.6.2在精細/大宗化學品工業上的應用163

7.6.3在醫藥工業上的應用164

7.6.4在食品工業上的應用164

7.6.5在化妝品工業上的應用165

7.6.6在生物能源工業上的應用165

7.6.7在高分子工業上的應用166

7.6.8在環保工業上的應用167

7.6.9在紡織工業上的應用167

7.6.10在造紙工業上的應用167

7.7生物催化的發展趨勢167



第8章工業催化劑的設計/ 170

8.1工業催化劑的設計方法170

8.2催化劑設計的框圖程序171

8.3催化劑主要組分的設計174

8.4催化劑次要組分的設計176

8.5催化劑類型的設計177

8.5.1塊狀金屬催化劑177

8.5.2負載金屬催化劑179

8.6固體催化劑設計的新思路186

8.6.1利用酶催化原理設計186

8.6.2利用組合技術設計188

8.6.3固體催化劑構件組裝的設計189



第9章工業催化劑的制備與使用/ 192

9.1工業催化劑的制備192

9.1.1沉澱法193

9.1.2浸漬法203

9.1.3混合法210

9.1.4離子交換法211

9.1.5熔融法211

9.2催化劑制備技術新進展212

9.2.1微乳液技術212

9.2.2溶膠-凝膠技術216

9.2.3超臨界流體技術222

9.2.4膜技術224

9.2.5水熱/溶劑熱技術226

9.3工業催化劑的使用228

9.3.1運輸、貯存與填裝228

9.3.2升溫與還原229

9.3.3開、停車及催化劑鈍化230

9.3.4催化劑的使用、失活與再生231



第10章工業催化劑宏觀物性測試與性能評價/ 236

10.1催化劑活性測試的基本概念236

10.1.1活性測試的目標236

10.1.2實驗室催化劑活性測試反應器的類型237

10.2催化劑活性的測定238

10.2.1影響催化劑活性測定的因素238

10.2.2測定活性的試驗方法240

10.3催化劑的宏觀物性及其測定241

10.3.1催化劑的表面積及其測定241

10.3.2催化劑的孔結構及其測定243

10.3.3催化劑機械強度的測定250

10.4催化劑抗毒性能的評價253

10.5工業催化劑壽命的考察253

10.5.1影響催化劑壽命的因素253

10.5.2催化劑壽命的測試254



第11章催化劑表征技術/ 257

11.1氣相色譜技術257

11.1.1程序升溫脫附法257

11.1.2程序升溫還原法259

11.1.3氫氧滴定脈衝色譜法259

11.2熱分析法260

11.2.1差熱分析法260

11.2.2熱重分析法261

11.2.3差示掃描量熱法262

11.2.4熱分析法在催化研究中的應用262

11.3X射線衍射分析法262

11.4光譜法263

11.4.1紅外吸收光譜法263

11.4.2拉曼光譜法265

11.5顯微分析法265

11.5.1掃描電鏡法265

11.5.2透射電鏡法266

11.5.3掃描隧道顯微鏡法266

11.5.4原子力顯微鏡267

11.5.5顯微技術在催化劑研究中的應用268

11.6能譜法268

11.6.1俄歇電子能譜法268

11.6.2X射線光電子能譜法269

11.6.3紫外光電子能譜法269

11.7核磁共振法270

11.8穆斯堡爾譜271

11.9工作狀態下的催化劑表征技術271



參考文獻/ 274

自1994年《工業催化》首版面世至今已26年。在這期間，科技進步日新月異，催化科學與技術得到了長足的發展，在能源、環保、新材料、生物技術等領域得到廣泛的應用。環境友好和可持續性發展戰略的實施對催化科學與技術提出了更高的要求，提供了更大的發展空間，也帶來了新的挑戰。

隨著我國高校化工類專業教育模式與培養方案的調整，筆者在《工業催化》首版的基礎上對內容進行了調整與更新，並於2006年和2014年分別出版了本教材的第二版和第三版。教材得到眾多兄弟院校的支持與選用，並被評選為普通高等教育“十一五”規劃教材和“十二五”普通高等教育本科規劃教材。

隨著新工科教育理念的興起，本科化工專業課程體繫的建設更加強調多學科跨界交叉融合，以強化對學生創新、實踐能力的培養，也就是要提高學生認識、提出和定義問題的能力，利用科學和工程知識體繫分析和解決問題的能力，以及自我終身學習的能力。鋻於此，本次修訂試圖對催化科學與技術近年來出現的新知識、新理念、新進展等內容進行更新和延展，以滿足新時代的教育需求。

《工業催化》（第四版）修訂的主要內容有：

（1）第1章中增加了超分子催化、單原子催化內容；

（2）將第三版第2章2.5納米材料結構擴寫後，調整為第四版第4章4.6納米催化，以反映21世紀以來催化科學與納米技術相結合而取得的進展；

（3）第6章以環境友好技術和新能源（氫能）技術為主線，把光催化和電催化的內容較為全面地引入本教材，反映光、電激發催化的基本原理以及在新能源、環保等領域所取得的進步；

（4）第7章新增了生物催化技術在各工業領域的應用；

（5）第8章中刪去了微動力學分析法，精煉了催化劑設計的內容；

（6）第9章工業催化劑的制備中，增補了目前研究過程中構建催化劑納米結構時運用較多的水熱/溶劑熱制備技術；

（7）第10章中刪去了有關催化劑性能測試的陳舊內容；

（8）第11章催化劑表征技術中更新了工作狀態下的催化劑表征技術，以反映目前學術界、工業界對催化劑實時、原位、動態表征研究的重視;

（9）這些年來我國科學家在催化領域新的研究成果不斷湧現，本次修訂補充介紹了他們的重大研究成果，及其對催化科學和技術進步的貢獻。

本此修訂再版，參考了國內外眾多學者的研究成果，在此對引用文獻的作者們表示由衷的敬意！

在本書版至第四版的出版過程中，化學工業出版社精心策劃與組織，編輯人員為此付出了很多心血，在此特表感謝！

限於時間及筆者的學識水平，教材中難免有疏漏之處，敬請讀者指正。



黃仲濤 耿建銘

2020年5月於華南理工大學