Виды гетерогенных катализаторов

Катализаторы кислотно-основного типа

Это твердые минеральные кислоты (H₃PO₄), смешанные оксиды (Al₂O₃·SiO₂, Al₂O₃·B₂O₃, Al₂O₃·MoO₃), природные и синтетические минералы (каолин, цеолита).

Используются для ускорения реакций гидролиза, гидратации, изомеризации, полимеризации.

Активные центры:

а) группы ОН‒ на поверхности алюмосиликатов, служат донорами протонов, кислотные центры по Бренстеду;

б) поверхностные атомы алюминия, акцепторы электронов, кислотные центры по Льюису;

в) ОН- группы поверхности – в качестве основания по Бренстеду.

Каталитическое действие кислотно-основных катализаторов сводится к протонизации или депротонизации молекулы реагента на протонном центре катализатора типа (а, в) или апротонном центре (б). Активность катализатора зависит от кислотности активных центров, т.е. концентрации кислотных или основных групп на единицу массы катализатора. Кислотность катализатора должна соответствовать типу реакции. Например, для крекинга предпочтительнее использовать катализатор с высокой кислотностью. Для изомеризации по двойной связи – средняя или низкая кислотность катализатора.

Оксиды переходных металлов

Используются в реакциях окисления-восстановления и дегидрирования. Отличительная особенность – способность иона металла переходить из одной степени окисления в другую. Активные центры – ионы металлов, катионные и анионные вакансии на поверхности кристалла, участи кристаллической решетки с дефицитом по кислороду. Каталитическая активность еще из-за потенциальной возможности катиона переходного металла в составе оксида к комплексообразованию в качестве центрального атома.

Каталитические окислительно-восстановительные реакции протекают с участием поверхностных атомов кислорода кристаллической решетки оксида. Реакция сводится к переменному окислению-восстановлению поверхностных слоев катализатора.

Металлы-катализаторы

Используются при катализе реакций гидрирования (Pt, Pd, Rh, Ni), окисления (Pt, Ag) и разложения органических и неорганических веществ

Каталитическая активность связана с наличием «свободных» d-орбиталей и потенциальной способностью к комплексообразованию в качестве центрального атома.

Смешанные катализаторы

Состоят из компонентов, каждый из которых обладает каталитической активностью к данной реакции.

Носители

Для увеличения доли поверхностных атомов катализатора его наносят на поверхность пористых носителей. В качестве носителя используют силикагель, оксид алюминия, оксид хрома (III), активированный уголь.

Носитель и катализатор могут быть инертными по отношению друг к другу – редко.

Чаще всего присутствие носителя повышает каталитическую активность катализатора из-за повышения доли активных центров или увеличения активности активных центров.

Промоторы (модификаторы)

Повысить активность катализатора можно введением в систему промоторов – веществ, которые сами по себе каталитически не активны, но зато увеличивают активность катализатора. Увеличение каталитической активности происходит за счет изменения свойств поверхности катализатора, в частности – увеличивается количество активных центров, изменяется энергия адсорбции реагирующих веществ и т.д.

Промоторы бывают двух типов: структурообразующие и модифицирующие.

Структурообразующие промоторы стабилизируют активную фазу катализатора по отношению, например, к нагреванию.

Модифицирующие промоторы или модификаторы изменяют строение и химический состав активной фазы.

В зависимости от концентрации одни и те же добавки могут быть как промоторами, так и модификаторами.