Функциональные материалы

Катализаторы

Катализа́торы, функциональные материалы и вещества, ускоряющие или инициирующие за счёт промежуточных химических взаимодействий с участниками реакции и восстановления своего химического состава после каждого цикла таких промежуточных взаимодействий. По способу организации и фазовому составу реакционной системы принято различать и катализаторы, а также катализаторы биологического происхождения – . В гетерогенном катализаторы иногда называют контактами.

В общем случае носителем катализатора обычно является вещество, непосредственно вступающее в химическое взаимодействие по крайней мере с одним из исходных реагентов с образованием нестойких (в условиях проведения каталитических реакции) химических соединений, – активный компонент катализатора (для твёрдых гетерогенных катализаторов часто каталитически активная фаза). Механизмы действия катализаторов достаточно разнообразны и зависят от типа осуществляемой каталитической реакции и природы вещества активного компонента катализатора; химическая природа активного компонента катализатора также может быть самой разнообразной. Массовая доля активного компонента в катализаторе может варьировать от 100 % до весьма малых величин (десятые доли процента).

Основными характеристиками катализаторов являются каталитическая активность, селективность по отношению к целевым продуктам каталитических превращений, специфичность по отношению к реагентам каталитических реакций, стабильность, устойчивость к действию ; для промышленных катализаторов ещё и производительность (количество целевого продукта, полученного за единицу времени на единицу объёма или массы катализатора).

Обычно катализаторы подразделяют по типам каталитических процессов: глубокого и парциального (селективного) окисления, , , процессов , органического и др. Типичными катализаторами (окисления, гидрирования и др.) являются переходные элементы в металлическом виде, а также их , , и . Типичными катализаторами кислотно-оснóвных реакций (, , , полимеризации, и др.) являются жидкие и твёрдые минеральные и органические и , кислые соли, , и др.

Структура цеолитаСтруктура цеолита. Фото: Igor Petrushenko / legion-media.ruВ промышленности предпочитают использовать твёрдые гетерогенные катализаторы вследствие лёгкости их отделения от реакционной среды и возможности работы при повышенных температурах. Активный компонент (каталитически активная фаза) многих промышленных гетерогенных катализаторов является высокодисперсным и нередко нанесённым на прочный пористый носитель (обычно высокопористый , оксид непереходного элемента, например , , , , и др.). Для увеличения каталитической активности, селективности, химической устойчивости и термостабильности в катализатор иногда вводят небольшое количество (или активатора) – вещества, которое может не обладать самостоятельной каталитической активностью.

Твёрдые промышленные катализаторы должны обладать высокими каталитической активностью, специфичностью по отношению к заданной реакции, селективностью по отношению к целевому продукту, механической прочностью, термостойкостью, определённой . Промышленные катализаторы должны быть также стойкими по отношению к дезактивации – снижению или полному подавлению их каталитической активности. Дезактивация катализатора может происходить за счёт спекания или механического разрушения (например, истирания) активного компонента и/или вещества носителя, блокировки активных центров побочными продуктами процесса – плотными углеродными отложениями (), смолистыми веществами, отравления каталитическими ядами. Действие каталитических ядов обычно обусловлено блокировкой наиболее активных участков активного компонента катализатора за счёт прочной и поэтому проявляется даже при наличии малых количеств ядов. Типичными каталитическими ядами являются соединения , , , , , , цианистые соединения, , , производные , иногда и др. В промышленности для предотвращения отравления катализатора производят глубокую предварительную очистку реагирующих веществ от каталитических ядов. В промышленных каталитических процессах для восстановления каталитической активности катализаторы после их дезактивации регенерируют. Регенерацию катализаторов осуществляют, например, выжиганием кокса и смолистых веществ, промыванием водой или специально подобранными .

Каталитическая активность твёрдого катализатора зависит от величины и состояния доступной для реагентов поверхности катализатора, формы, размера и профиля пор катализатора (т. е. его текстуры), что определяется способом приготовления катализатора и его предварительной обработкой. В условиях отсутствия ограничений активность твёрдого катализатора прямо пропорциональна такой поверхности. Поэтому большинство промышленных гетерогенных катализаторов имеет развитую удельную поверхность, вплоть до нескольких сотен м2 на 1 г катализатора. Наиболее распространёнными методами получения активных твёрдых катализаторов являются и из растворов солей или комплексных соединений с последующим термическим разложением осадка до оксидов, разложение иных соединений на до оксидов, сплавление нескольких веществ с последующим одного из них (т. н. сплавные, или «скелетные», катализаторы), а также нанесение активного компонента катализатора на носитель методом пропитки или из газовой фазы с последующей активацией катализатора. Типичными процедурами активации катализаторов являются их восстановление водородом, сульфидирование с помощью различных серосодержащих соединений и т. п.; для некоторых типов катализаторов используется термоактивация, осуществляемая с помощью прогрева катализатора до температуры формирования активной фазы. Механически прочные катализаторы изготавливают в виде прессованных таблеток, а также полученных специальными методами гранул, шариков, сплошных и полых цилиндров (колец Рашига), различного рода экструдатов и др. В ряде случаев для снижения аэро- или слоя катализаторов им придают и более специфические формы. Например, каталитические нейтрализаторы автомобильных выхлопов обычно изготавливают в виде или металлических «сотовых» блоков со множеством параллельных каналов вдоль потока очищаемого газа. В промышленности применяют также катализаторов в жидкой фазе (суспензионный процесс) и пылевидные катализаторы, которые в ходе реакции оказываются взвешенными в парáх компонентов реакции (т. н. флюид-процесс).

Стоимость катализатора зависит от его химического состава, способа приготовления и варьирует от 0,5 до нескольких тыс. долл. США за 1 кг катализатора. Тем не менее в стоимости готовой продукции, полученной с помощью промышленных катализаторов, стоимость катализаторов обычно составляет не более 0,1–1 %. Промышленные гетерогенные катализаторы являются мало- или среднетоннажной продукцией.

Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2009.
  • Гетерогенные реакции
  • Гомогенные реакции
  • Каталитические реакции