金属催化剂：定义、原理、应用与分类
金属催化剂：定义、原理、应用与分类
金属催化剂
概述
以金属为主要活性组分的固体催化剂。主要是贵金属及铁、钴、镍等过渡元素。有单金属和多金属催化剂。
工作原理
许多金属都可作为催化剂，用得最普遍的是过渡金属。过渡金属具有优良的加氢脱氢特性，是工业上广泛应用的加氢脱氢催化剂。有些金属还具有氧化和重整的性能。将助催化剂掺入金属组分中，或将金属组分分散在载体上，是两种常用的金属催化剂类型。由两种以上金属组成的合金催化剂，无论对于理论研究还是实际应用都有重要意义。
原理金属键的作用过渡金属的化学性质与过渡金属原子的d轨道密切相关。d轨道参与形成金属键的分数(d%)与金属的催化活性有一定的关系。鉴于金属键电子的高度离域性，研究金属催化作用时应首先考虑作为金属整体性质的电子迁移性，以及金属原子之间远程的电子相互作用。20世纪50年代，应用固体物理的能带理论对金属和半导体催化剂的电子结构进行了描述。当过渡金属原子形成固体时，原子最外层的s轨道和d轨道分别形成了能带，s能带和d能带相互重叠，根据能级的高低，外层电子将在s带和d带中重新分布。因此，也可以用“d-空穴”的概念来描述过渡金属的d状态。d特征即d%越大，“d－空穴”越少。
由于金属键的形成，在讨论金属表面的活性中心结构时，必须考虑到构成活性中心的原子周围的最近邻和次近邻原子的影响。在金属体相内，每个原子周围都有相同数目的最近邻的原子,而在表面不同部位的原子,其最近邻原子的数目则不同。配位不饱和程度越大，对外来的被吸附分子的化学作用也越大。对于金属催化剂，可以利用一定数目的表面原子组成的原子集团(原子簇)来逼近整个金属的作用。原子簇所包含的原子数目越大，其作用将越接近实际情况，但对理论研究无疑将增加更大的困难。金属簇络合物可以用来作为金属原子簇活性中心的模型。金属催化作用中利用原子簇活性中心的概念，将使多相、均相和金属酶催化作用三大领域沟通起来。
应用
在选择和设计金属催化剂时，常考虑金属组分与反应物分子间应有合适的能量适应性和空间适应性，以利于反应分子的活化。然后考虑选择合适的助催化剂和催化剂载体以及所需的制备工艺，并严格控制制备条件，以满足所需的化学组成和物理结构，包括金属晶粒大小和分布等。除贵金属外，还原态的金属催化剂均极为活泼，易于被氧化。催化剂生产厂为了贮运的方便，多以氧化物状态提供商品，用户经活化处理或在使用过程中才还原成金属状态。活化的方法、条件十分重要。有些催化剂生产厂也提供某些预还原的氨合成用的铁催化剂，以缩短用户的开工期，并保证催化剂的使用特性。
分类
- 非负载型金属催化剂
指不含载体的金属催化剂，按组成又可分单金属和合金两类。通常以骨架金属、金属丝网、金属粉末、金属颗粒、金属屑片和金属蒸发膜等形式应用。骨架金属催化剂，是将具有催化活性的金属和铝或硅制成合金，再用氢氧化钠溶液将铝或硅溶解掉，形成金属骨架。工业上最常用的骨架催化剂是骨架镍,1925年由美国的M.雷尼发明,故又称雷尼镍。骨架镍催化剂广泛应用于加氢反应中。其他骨架催化剂还有骨架钴、骨架铜和骨架铁等。典型的金属丝网催化剂为铂网和铂-铑合金网,应用在氨化氧化生产硝酸的工艺上。
- 负载型金属催化剂
金属组分负载在载体上的催化剂，用以提高金属组分的分散度和热稳定性，使催化剂有合适的孔结构、形状和机械强度。大多数负载型金属催化剂是将金属盐类溶液浸渍在载体上，经沉淀转化或热分解后还原制得。制备负载型金属催化剂的关键之一是控制热处理和还原条件。
选型指南
- 催化剂参与反应物之间的化学反应
- 通过反应历程改变使化学反应的所需克服的能垒数值大大减少。 结果： 催化反应相对常规化学反应发生的条件温和得多，甚至常规条件下难以 发生的反应，在催化剂参与下实现了工业化生产。 工业上对催化剂的要求：
A. 工业催化剂是指具有工业生产实际意义，可以用于大规模生产过程的催化剂。
B. 一种好的工业催化剂应具有适宜的活性、高选择性和长寿命。
C. 工业催化剂的活性、选择性和寿命除决定于催化剂的组成结构外，与操作条件也有很大关系。这些条件包括原料的纯度、生产负荷、操作温度和压力等。
D. 因此，在选择或研制催化剂时要充分考虑到操作条件的影响，并选择适宜的配套装置和工艺流程。
此外，催化剂的价格也是要考虑的。
注意事项
除了安全性,关键在催化剂中毒控制和损耗控制.在空气中密闭存放时很安全,但要远离溶剂和含硫、磷的化合物.在溶剂存在下,可能起火.在有机溶剂中使用时必须在氮气保护下进行.过滤时滤渣不能进行干燥.
如果效率降低,可以先用有机溶剂洗出吸附的有机分子,然后碱洗,注意碱浓度不要过高,避免钯损失,然后还原得到恢复部分活性的催化剂.碱洗液可以电解回收金属钯.这种回收方式只是把堵住孔道的焦油部分的处理了一下,对可逆中毒有效果.一般催化剂再生,是废催化剂焚烧变成钯灰,在精炼金属钯,做成钯的前驱体用来作催化剂.这样可以尽量多的回收钯。