Химия : Классификации катализаторов

Классификации катализаторов

- 1 -

Классификации катализаторов

Существуют различные типы классификации катализаторов, в основе которых лежит определенная совокупность свойств или характеристик. Наиболее широко используется классификация по типу веществ, которые являются катализаторами. Она включает следующие группы катализаторов:

1. Металлы (массивные, чистые, сплавы, скелетные, нанесенные) - гетерогенные катализаторы.

Так, например, металлы VIII группы (Fe, Ni, Co, Pt, Pd) используются в качестве катализаторов гидрирования ненасыщенных соединений (главным образом алкенов и алкинов). Серебро является катализатором окисления и окислительного дегидрирования (напр., синтез формальдегида из метанола).

Металлические катализаторы могут быть компактными, скелетными, нанесенными.

Pt-сетка (компактный металл в виде переплетенных нитей) - Кт окисления диоксида серы в триоксид (получение серной кислоты). Или известный катализатор гидрирования - Никель Ренея (это скелетный катализатор, который получается при выщелачивании сплава никель-алюминий).

Нанесенные катализаторы - палладий на угле (Pd/C), палладий на оксиде алюминия (Pd/Al2O3) и т.д.

2. Твердые бинарные соединения металлов МmЭn, где Э - О, S, Se, Te, As, P, C, N, Si, B, гетерогенные катализаторы. Из этой группы чаще всего используются оксиды или халькогениды металлов полупроводникового типа. Примерами служат оксиды MgO, ZnO, Fe2O3, Cr2O3, WO3, MoO3, V2O5 и др.

Так, в синтезе серной кислоты в настоящее время используется V2O5.

Катализаторы этого типа широко применяются в процессах гидрирования. Например в синтезе метанола из СО и водорода по реакции:

CO + H2 > CH3OH

катализатором служит смесь оксидов:

Cr2O3+ZnO (I Kt, суммарное давление газов 250-300 атм, температура 300-4000С ), Cr2O3+ZnO+CuO (II Kt, условия более мягкие: суммарное давление 50-100 атм., температура 220-2700С, однако, в отличие от предыдущего, катализатор чрезвычайно чувствителен к наличию серосодержащих примесей в исходных газах).

Смесь оксидов молибдена, висмута и фосфора состава MoO3•Bi2O3•P2O5 - катализатор окислительного аммонолиза пропилена в акрилонитрил:

CH2=CH-CH3 + NH3 + 1.5 O2 > CH2=CH-CN + 3H2O

Сульфиды молибдена и вольфрама состава MoxSy+WxSy являются хорошими катализаторами в процессах гидроочистки (обессеривания) нефтяных фракций -- в присутствии этих катализаторов происходит восстановление серосодержащих органических соединений до элементарной серы или сероводорода.

3. Кислоты и основания (гомогенные и гетерогенные катализаторы) - протонные кислоты Бренстеда (НА) в водных и неводных средах, апротонные кислоты Льюиса - Усановича (BF3, RI), протонные и апротонные центры твердых оксидов (оксиды алюминия, алюмосиликаты), любые типы оснований (в том числе твердые - МgO, CaCO3, ионообменные смолы).

На таких катализаторах протекают реакции кислотно-основного катализа, а именно крекинг нефтяных фракций (на алюмосиликатах и цеолитах), дегидратация и гидратация, синтез аминов из спиртов (на Al2O3), этерификация спиртов и кислот, конденсация альдегидов и кетонов.

3. Комплексы металлов, включая соли (гомогенные и гетерогенные катализаторы). Следует отметить, что соли переходных металлов - это, как правило, комплексные соединения.

Рассмотрим, например, Вакер-процесс (окисление этилена в ацетальдегид), который протекает в присутствии катализатора PdCl2/CuCl2. На самом деле PdCl2 является линейным полимером, в котором атомы металла связаны хлоридными мостиками:

В растворе к присутствии хлорид-ионов, он деполимеризуется с образованием плоско-квадратных анионных комплексов палладия

и именно эти анионные комплексы являются составной частью катализатора и участвуют в каталитическом цикле.

В гидрировании алкинов и алкенов катализатором служат фосфиновые комплексы родия состава RhCl(PPh3)3.

В процессе карбонилирования метанола в уксусную кислоту (процесс фирмы Монсанто) в качестве предшественника катализатора используют смесь карбонильных комплексов Rh(I) и иодистого метила (MeI).

Катализаторы реакции Реппе (карбонилирование алкинов в присутствии воды (гидрокарбоксилирование), спиртов или аминов) является тетракарбонил никеля состава Ni(CO)4 - довольно лабильный комплекс, имеющий тетраэдрическое строение.

4. Ферменты (гомогенные и гетерогенные).

Ферменты (энзимы) - биологические катализаторы обладают уникальными свойствами: высокой производительностью в расчете на один реакционный центр и селективностью, связанной со специфичностью действия. Работают ферменты в очень мягких условиях, при атмосферном давлении и температуре до 40о. В биологических системах отсутствуют неводные растворители и сильные кислоты и основания ( рН ? 7 ). Например фермент уреаза гидролизует только молекулы мочевины, не обращая внимания на другие амиды, и делает это гораздо эффективнее обычных кислотных катализаторов (табл. ).

Таблица

II. Классификация катализаторов по степени дискретности и коллективности действия

Взаимодействие катализатора с реагентами в газовой и жидкой фазе носит в основном дискретный характер (взаимодействие с одним реакционным центром катализатора) (гомогенный катализ). Взаимодействие реагентов с активными центрами на поверхности гетерогенного катализатора подвергается влиянию специфических эффектов твердого тела (большое количество ядер и электронов). Здесь главную роль играют коллективные эффекты. Поэтому катализаторы можно классифицировать по степени дискретности.

Коллективные эффекты выражены сильно в: а) массивных металлах, б) твердых растворах (сплавах).

Коллективные эффекты выражены слабее в: а) полупроводниковых оксидах, б) солях металлов в кристаллическом состоянии (HgCl2, MoS2, PdCl2, CuCl).

Дискретные свойства выражены сильно в: а) кислотных катализаторах в растворах, б) комплексах металлов в растворах, в) комплексах металлов, химически связанных с поверхностью носителя.

Фактически в ряду металлы > оксиды металлов > кислотные катализаторы и комплексные соединения происходит уменьшение влияния коллективных эффектов и увеличение влияния дискретных свойств. Такое деление не полностью совпадает с делением на гомогенные и гетерогенные катализаторы.

III. Классификация по специфике электронного строения

1. d-Катализаторы - катализаторы на основе переходных металлов, имеющие d-электроны и энергетически выгодные d-орбитали.

2. s,p-Катализаторы - катализаторы, в активном центре которых находится элемент, имеющий валентные S и P - орбитали(электроны). Это протонные и апротонные кислоты (НХ, RX, R+, BF3, оксиды алюминия, алюмосиликаты), а также основания Бренстеда (O, N, S, P, Hal - содержащие ионы и молекулы.

Металлы побочных подгрупп I и II групп Периодической системы относятся к промежуточному типу.

Группа d-катализаторов обладает несомненно более широким спектром каталитического действия из-за большего числа энергетически доступных орбиталей:

(n-1) d, n s, n p и электронов, участвующих в элементарных стадиях каталитических процессов.

Из группы d-катализаторов особенно широким спектром каталитических свойств обладают металлокомплексные катализаторы (как в растворах, так и на поверхности). Именно исследование металлокомплексных катализаторов позволило установить механизм многих каталитических процессов на “молекулярном уровне”.

Особенно следует отметить, что появление металлокластерных катализаторов позволило "перебросить мостик" между металлокомплексными катализаторами в растворе и гетерогенными катализаторами на носителе.

Фактически кластерные катализаторы сочетают в себе

- с одной стороны - свойства дискретной молекулы, дополненные взаимодействием между металлами на молекулярном уровне,

- с другой стороны - свойства ансамбля из атомов металла, ограниченные рамками одной молекулы.

Представления о том, как происходит превращение субстрата (или нескольких субстратов) на поверхности катализатора и является главным подходом к пониманию механизма каталитических процессов.

Но, фактически, такие превращения - это превращения, протекающие в координационной сфере атома металла и они подчиняются всем закономерностям, которые наблюдаются в координационной химии.

Поэтому, прежде чем обсуждать механизмы активации молекул катализатором (что, собственно говоря, и является “интимным” механизмом катализа), необходимо вспомнить основные понятия координационной химии