小中大金属催化剂及其催化剂作用机理
金属催化剂及其催化剂作用机理
1. 金属催化剂概述
金属催化剂是一类重要的工业催化剂。主要包括块状催化剂,如电解银催化剂、融铁催化剂、铂网催化剂等;分散或者负载型的金属催化剂,如Pt-Re/-Al2O3重整催化剂,Ni/Al2O3加氢催化剂等;
金属催化剂及其催化剂作用机理
金属互化物催化剂,如LaNi5可催化合成气转化为烃,是70年代开发的一类新型催化剂,也是磁性材料、储氢材料;金属簇状物催化剂,如烯烃氢醛化制羰基化合物的多核Fe3(CO)12催化剂,至少要有两个以上的金属原子,以满足催化剂活化引发所必需。这5类金属催化剂中,前两类是主要的,后三类在20世纪70年代以来有新的发展。
几乎所有的金属催化剂都是过渡金属,这与金属的结构、表面化学键有关。金属适合于作哪种类型的催化剂,要看其对反应物的相容性。发生催化反应时,催化剂与反应物要相互作用。除表面外,不深入到体内,此即相容性。如过渡金属是很好的加氢、脱氢催化剂,因为H2很容易在其表面吸附,反应不进行到表层以下。但只有“贵金属”(Pd、Pt,也有Ag)可作氧化反应催化剂,因为它们在相应温度下能抗拒氧化。故对金属催化剂的深入认识,要了解其吸附性能和化学键特性。
2.金属和金属表面的化学键
研究金属化学键的理论方法有三:能带理论、价键理论和配位场理论,各自从不同的角度来说明金属化学键的特征,每一种理论都提供了一些有用的概念。三种理论,都可用特定的参量与金属的化学吸附和催化性能相关联,它们是相辅相成的。
(1)金属电子结构的能带模型和“d带空穴”概念
金属晶格中每一个电子占用一个“金属轨道”。每个轨道在金属晶体场内有自己的能级。由于有N个轨道,且N很大,因此这些能级是连续的。由于轨道相互作用,能级一分为二,故N个金属轨道会形成2N个能级。电子占用能级时遵从能量最低原则和Pauli原则(即电子配对占用)。故在绝对零度下,电子成对从最低能级开始一直向上填充,只有一半的能级有电子,称为满带,能级高的一半能级没有电子,叫空带。空带和满带的分界处,即电子占用的最高能级称为费米(Fermi)能级。
s轨道形成s带,d轨道组成d带,s带和d带之间有交迭。这种情况对于过渡金属特别如此,也十分重要。 s能级为单重态,只能容纳2个电子;d能级为5重简并态,可以容纳10个电子。如铜的电子组态为[Cu](3d10)(4s1),故金属铜中d带电子是充满的,为满带;而s带只占用一半。镍原子的电子组态为[Ni] (3d5)(4s2),故金属镍的d带中某些能级未被充满,称为“d带空穴”。“d带空穴”的概念对于理解过渡金属的化学吸附和催化作用是至关重要的,因为一个能带电子全充满时,它就难于成键了。
(2)价键模型和d特性百分数(d%)的概念
价键理论认为,过渡金属原子以杂化轨道相结合。杂化轨道通常为s、p、d等原子轨道的线性组合,称之为spd或dsp杂化。杂化轨道中d原子轨道所占的百分数称为d特性百分数,用符号d%表示。它是价键理论用以关联金属催化活性和其他物性的一个特性参数。
金属d%越大,相应的d能带中的电子填充越多,d空穴就越少。d%和d空穴是从不同角度反映金属电子结构的参量,且是相反的电子结构表征。它们分别与金属催化剂的化学吸附和催化活性有某种关联。就广为应用的金属加氢催化剂来说,d%在40~50%为宜。
(3) 配位场模型
借用络合物化学中键合处理的配位场概念。在孤立的金属原子中,5个d轨道能级简并,引入面心立方的正八面体对称配位场后,简并能级发生分裂,分成t2g轨道和eg轨道。前者包括dxy、dxz和dyz,后者包括和。d能带以类似的形式在配位场中分裂成t2g能带和eg能带。eg能带高,t2g能带低。
因为它们具有空间指向性,所以表面金属原子的成键具有明显的定域性。这些轨道以不同的角度与表面相交,这种差别会影响到轨道健合的有效性。用这种模型,原则上可以解释金属表面的化学吸附。不仅如此,它还能解释不同晶面之间化学活性的差别;不同金属间的模式差别和合金效应。如吸附热随覆盖度增加而下降,最满意的解释是吸附位的非均一性,这与定域键合模型的观点一致。Fe催化剂的不同晶面对NH3合成的活性不同,如以[110]晶面的活性为1,则[100]晶面的活性为它的21倍;而[111]晶面的活性更高,为它的440倍。这已为实验所证实。
3金属的体相结构、表面结构、晶格缺陷与位错
(1)金属的体相结构
除少数金属外,几乎所有的金属都分属于三种晶体结构,即面心立方晶格(F.C.C.),体心立方晶格(B.C.C.)和六方密堆晶格(H.C.P.)。三种晶格的一些结构参数列于表6.3.1
晶体可以理解成不同的晶面。例如金属Fe的体心立方晶格,有(100)、(110)、(111)晶面。不同晶面上金属原子的几何排布是不相同的,原子间距也是不相等的,见图6.3.1和图6.3.2。
(2)金属的表面结构
表面上的原子排列与体相的相近,原子间距也大致相等。由于紧密堆积在热力学上最为有利,暴露于表面上的金属原子,往往形成晶面指数低的面,即表面晶胞结构为(1×1)的低指数面热力学才是稳定结构。
金属表面暴露在气氛中,总会发生吸附现象。在大多数情况下,表面上总是覆盖上接近吸附层的吸附质。若气体分子与表面原子是一对一的吸附,则吸附质的排列与底层结构相同,其它吸附层在表面的排列还有更复杂的结构。
(3)晶格缺陷
一个真实的晶体总有一种或多种结构上的缺陷。晶格缺陷主要有点缺陷和线缺陷,此外还有面缺陷。内部缺陷的存在将会引起晶格的畸变,还会引起附加能级的出现。
点缺陷:又可进一步区分为Schottky缺陷和Frenkel缺陷两种。前者是指一个金属原子缺位,原来的金属原子迁移到表面上去了;后者是由一个原子缺位和一个间隙原子组成。
位错:位错即线缺陷,涉及一条原子线的偏离;当原子面在相互滑动过程中,已滑动与未滑动区域之间必然有一分界线,这条线就是位错。位错有两种基本类型,即边位错和螺旋位错。边位错是两个原子面的相对平移,结果是在一个完整的晶格上附加了半个原子面。边位错线上的每个格子点(分子、原子或离子),面对一个间隙,取代了邻近的格子点。杂质原子就易于在此间隙处富集。
螺旋位错有一螺旋轴,它与位错线相平行,它是由于晶体割裂过程中的剪切力造成的。如此一来,晶体中原来彼此平行的晶面变得参差不齐,好象一个螺旋体。真实晶体中出现的位错,多是上述两类位错的混合体,并趋向于形成环的形式。一种多物质常由许多种微晶、且以不同的取向组合而成,组合的界面就是位错。
堆垛层错与颗粒边界:堆垛层错又叫面位错,是由于晶位的错配和误位所造成。对于一个面心立方的理想晶格,其晶面就为ABC ABC ABC的顺序排列。如果其中少一个A面,或多一个A面,或多半个A面从而造成面位错。对于六方密堆晶格,理想排列为AB AB AB顺序,可能因缺面而造成堆垛层错。任何实际晶体,常由多块小晶粒拼嵌而成。小晶粒中部的格子是完整的,而界区则是非规则的。边缘区原子排列不规则,故颗粒边界常构成面缺陷。