行业应用 | 催化剂评价整体解决方案

催化剂是一种物质，它通过基元反应步骤的不间断地重复循环，将反应物转变为产物，在循环的最终步骤催化剂再生为其原始状态。更简单地说：“催化剂是一种加速化学反应而在其过程中自身不被消耗的物质。”许多种类的物质都可用来作催化剂，如金属、金属氧化物、有机金属络合物及酶。催化技术已成为调控化学反应速率与方向的核心科学。

对催化作用最本质的认识，首先是研究催化剂活性中心/活性相，即解开所谓“黑匣子”的秘密；研讨其大小、形貌、组成、组成之间的相互作用同催化性能的关联，特别是利用各种现代物理化学手段在原子、分子层次在实时、实空间的获取基本信息加以研究。

1925年H.S.Taylor提出活性中心概念，它意味着催化作用“部位”并不是催化剂的整个表面，而是催化剂的某些特定“部位”，即活性中心/活性相。

程序升温脱附法（Temperature Programmed Desorption，TPD）,就是把预先吸附了某种气体分子的催化剂，在程序加热升温下，通过稳定流速的气体（通常用惰性气体，如He气），使吸附在催化剂表面上的分子在一定温度下脱附出来，随着温度升高而脱附速度增大，经过一个最高值后而脱附完毕。对脱附出来的气体，可以用热导检测器检测出浓度随温度变化的关系，得到TPD曲线。脱附出来的碱性气体用酸吸收，通过滴定的办法可以求得消耗的酸量，从而得到催化剂的总酸量。也可通过化学吸附仪自动完成滴定步骤，直接获得准确的脱附量。

TPR(Temperature-ProgrammedReduction)是在 TPD基础上发展起来的。它可以提供负载型金属催化剂在还原过程中，金属氧化物彼此之间或金属氧化物与载体之间相互作用的信息。方法和原理如下:一种纯的金属氧化物具有特定的还原温度，可以利用此还原温度来表征该氧化物的性质。如果氧化物中引进另一种氧化物，两种氧化物混合在一起。如果在TPR过程中每一种氧化物保持自身还原温度不变，则彼此没有发生作用。

反之，如果两种氧化发生了固相反应的相互作用，氧化物的性质发生了变化，则原来的还原温度也要发生变化。用TPR技术可以记录到这种变化。所以TPR是研究负载型催化剂中，金属氧化物与金属氧化物之间以及金属氧化物与载体之间相互作用的有效方法。

在烃类反应中，烃被还原为碳单质沉积在催化剂表面上，这种沉积下来的碳单质被称作积炭。由于积炭，导致催化剂活性衰减。因此研究积炭的动力学和反应机理，对于减少积炭的发生，延长催化剂寿命具有重要意义。对于单晶表面积炭机理的研究，已经提出了有关模型。但对常用的催化剂来说，由于载体的作用使金属表面结构和积炭关系更为复杂。TPO(Temperature Programmed0xidization)是研究催化剂积炭并与反应性能关联的一种较灵敏的方法。

固体表面酸性位一般可看作是氧化物催化剂表面的活性位。在众多催化反应如催化裂化、异构化、聚合等反应中烃类分子与表面酸性位相互作用形成正碳离子，该正碳离子是反应的中间物种。正碳离子理论可以成功解释烃类在酸性表面上的反应，也对酸性位的存在提供了有力证明。

为了表征固体酸催化剂的性质，需要测定表面酸性位的类型(Lewis酸，Bronsted酸)、强度和酸量。测定表面酸性的方法很多，如碱滴定法、碱性气体吸附法、热差法等，但这些方法都不能区分L酸和B酸部位。AMI-300IR原位红外&程序升温化学吸附仪用来研究固体催化剂表面酸性，它可以有效区分L酸和B酸，在该方法中，常用碱性吸附质如氨、吡啶、三甲基胺、正丁胺等来表征酸性位，其中应用比较广泛的是吡啶和氨。

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AMI-300IR原位红外&程序升温化学吸附仪，将AMI化学吸附标准技术与傅立叶变换红外光谱（FTIR）相结合对催化剂表面进行原位分析，这种组合技术能够实现对于被吸附物质的直接观察，从而确定催化位的性质，吸附的类型，以及是否存在多种类型的催化位，从而扩展了对吸附/脱附过程性质的认识。

催化剂活性和选择性的定量表达        
若以某反应物进料的物质的量为基准，则活性定义如下:
时空产率STY(spacetime yield):在一定条件下(温度、压力、进料组成、进料空速均一定)，单位时间内，单位体积或单位质量的催化剂所得产物的量。将时空产率乘以反应器所填装的催化剂的体积或质量，直接给出单位时间生产的产物数量，也可计算完成一定的生成任务所需催化剂的体积或质量。

对于流动体系，常适用空速和接触时间的概念。定义空速为，单位时间单位催化剂上所流经的反应物的量，用符号VVH表示，单位为s-1.

VVH=F/V

式中，F一单位时间反应物的进料体积，反应物的体积速率; V-催化剂床层体积。
当反应物以蒸气送入时，空速是按反应物的气体流量速率计算，称为气体时空速率(GHSV)。当反应物以液体进料时，这个相应的数量称为液体的时空速率(LHSV),简称液体空速。若按反应物的质量流速除以催化剂的重量所得的比值，称之为重量时空速率(WHSV)，简称重量空速。

对于特定的操作条件，对于给定的转化率，空速等于单位时间能处理的相当于反应器体积那么多倍的反应物。由此空速可以用作催化剂活性的指示。对给定的转化率，空速最高的催化剂是活性最高的。

初步筛选催化剂必须在较高压力下进行，多使用高压釜在这种条件下，催化剂的活性，通常直接按给定的反应条件和反应时间下的转化率来评价。不论使用什么反应器，在进行活性评价时，最核心的问题是要消除浓度梯度，温度梯度，外扩散和内扩散的影响，这样才能获得真实的信息。

μ-BenchCAT微反应器

产品特点

•最大操作温度：650°C或1200°C（取决于反应器材质）

•最大操作压力：常压，30 bar或100bar

•气体进样口：最多6个

•液体进样口：0，1或2

•反应器材质：不锈钢，石英，Incoloy镍铬不锈钢

•管路及密封件材质：不锈钢，PEEK，Incoloy镍铬不锈钢，含氟橡胶，石英

•大多数过程组件置于恒温箱控制中

•使用LabVIEW全自动操作软件

•安全装置保障

硬件

反应器的进口

μBenchCAT的标配带有6个及以下气体进口和2个液体进口。每个气体进口带有过滤器，高精度质量流量控制器（MFC）,检查阀，和正截止阀。每个MFC的量程和气体校准可以由用户指定。液体传输由高精度的HPLC泵完成。

恒温箱

大多数过程元件都放置在恒温箱内，其最高工作温度为200°C。箱内有以下元件：

•整体式气体预热器和液体预热器/蒸汽发生器（最高至300°C）

•进样混合器

•反应器的旁路阀

•带有测量功能和安全开关的热电偶的反应器炉

•带内部热电偶的反应器

•压力传感器隔离器

•通往压力传感器和泄压阀的管线安装在恒温箱外部

冷凝器

管式冷凝器位于加热炉外部的反应器出口。热电偶用于监控冷却液回流。

气/液分离器

气/液分离器位于冷凝器的下游。两个液位开关（高和低）可驱动一个自动阀，用于保持液位控制。

压力控制

出口压力由单独的压力传感器测量，压力由自动锥形针阀控制。

产物取样阀

可选的产品采样阀可用于将出口废液样品输送到外部分析设备。

软件操作界面

阀门开关、流速、温度、压力、产品取样和分析都是软件控制

可以自定义实验步骤 (最多99个步骤)

与外部分析设备的连接

气相色谱 （GC）, 质谱（MS）, 热导池检测器（TCD）等

安全措施 

超温，超压安全警报

催化剂表面积的测定

对于同一种化学组成的催化剂，改变制备条件或添加助催化剂后，引起活性的改变，其原因往往可通过测定表面积得到启示。由于制备条件不同，催化剂的孔结构不同，反映到催化剂的比表面积也不同，并直接影响到表面利用率和反应物分子及产物分子在孔内的情况，因而影响到催化剂的活性、选择性、反应速率、寿命和机械强度等。

当化学反应在动力学区进行时，催化剂的活性和选择性与孔结构无关。但是，当外扩散或内扩散受到阻碍时，催化剂的活性及选择性就与孔结构有关。大多数工业催化剂都处在这种条件下。

孔结构对催化剂活性的影响

不仅反应物向孔内的扩散影响到反应速率而且产物的逆扩散同样影响反应速率。孔径影响这类催化剂的表观活性。一个理想的催化剂需要有足够的内表面为反应提供场所，又必须有足够大的孔径为反应物和产物的内扩散提供通道。但应该注意的是催化剂的各种物理性质之间是互相联系的，从立体几何的角度看，一定质量的催化剂，孔径大必然带来比表面积的降低。

孔结构对催化剂选择性的影响

如果催化反应中存在两个以上的反应，由于内扩散效应的存在，催化剂的宏观结构将直接影响到每个反应速率的相对值，亦即直接影响到反应的选择性。利用物理传质过程的规律，可以设法控制催化剂的宏观结构以提高目的产物的选择性。

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JW-BK200C比表面及孔径测试仪搭载0.1torr INFICON小量程传感器，PFEIFFER超高真空分子泵，能准确测试催化剂的比表面积，孔容，孔径等参数，为后续的研发，测试等环节提供有力支持。

JW-BK200C比表面及孔径测试仪配置1torr/0.1torr高精度、小量程传感器，及10-8Pa涡轮分子泵，适合分子筛、催化剂、活性炭等多微孔样品的超微孔分析。

孔径范围：0.35-500nm   

比表面测试范围：>0.0001m2/g

中值孔径重复性：<0.02nm

比表面积重复性：≤1%

催化氧化技术已经成为VOCs治理中最为经济有效且应用广泛的技术。而在催化氧化技术中，催化剂性能的好坏则是决定设备运行成本和VOCs净化性能好坏的重要因素，开发低温高活性和稳定性高的催化剂，是现在和将来很长一段时间内催化氧化技术的研究重点。

贵金属催化剂的活性通常优于非贵金属氧化物催化剂，然而，缺点是容易因为催化剂表面的积、氯化物或水蒸汽引起中毒。在工业应用气氛复杂的场合，催化剂表面的活性位容易被水蒸汽、Cl 或S 物种占据，或被其他物质竞争吸附。mixSorb竞争吸附仪能够模拟催化剂所处的真实环境，完成多种吸附质在催化剂上的竞争吸附。

mixSorb 系列竞争性吸附分析仪

常见应用方向：

气体分离、储存和纯化、穿透分析、CO2 捕获、吸附选择性

评估新一代吸附材料，例如： MOF、COF、ZIF、沸石、活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛碳、碳化物衍生碳、多孔聚合物和树脂

常见测试：

多组分吸附、混合气体吸附、穿透曲线分析、气体和蒸气混合物吸附、选择性和吸附能力、动态吸附和脱附测量、竞争吸附

催化剂的真密度大小反映出催化剂的孔结构与活性组成、晶相组成之间的关系。一般地说，催化剂的孔体积越大，其真密度越小;催化剂组分中重金属含量越高，则真密度越大；载体的晶相组成不同，真密度也不同。

JW-M100型全自动气体置换法真密度测试仪，能快速、高精度测量各种粉体、块体等固体材料的真体积及真密度，样品室体积范围1cm3-100cm3，平均完成一次分析约需3min，测试精度±0.03%，非常适合质检的快速分析。

真密度测试为正压测试，压力范围1-1.3个大气压，无需使用真空泵，非常适合空心颗粒样品的真密度测试，不会因抽真空导致样品变形，也不会因抽真空导致粉末样品抽飞。产品配置经中国计量科学研究院标定的无膨胀合金标准样品，体积精度高达10-4cc。亦可选配经国际权威认证机构认证的原装进口标准物质。

精微高博比表面积仪、化学吸附仪、催化剂评价装置能够为催化剂客户提供完整的表征方案，如果需要了解更多相关知识，可联系我们 400-600-5039

精微高博（JWGB）成立于2004年，推出中国第一台静态容量法氮吸附仪JW-RB,被誉为“中国氮吸附仪的开拓者”。17年来已发展为集研发、制造、销售、服务于一体的国家级高新技术企业，专业从事比表面积及孔径分析仪、化学吸附仪、竞争性吸附仪、蒸汽吸附仪、真密度仪等物性分析设备的研究，是中国材料表征仪器的领先制造商，产品销售全球十几个国家和地区，致力于向全球客户提供高质量、高易用性、高性价比的产品和服务解决方案。

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