浅谈助剂对催化剂活性的影响

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摘 要：本文作者尝试通过实验，让学生理解助剂Cr2O3、CeO2和ZrO2对Cu/SiO2催化剂活性的影响。实验结果表明，助剂Cr、Ce、Zr的加入，使得催化剂中的CuO与其他氧化物之间的相互作用减弱，增大了催化剂的活性比表面，提高了催化剂的催化性能。

关键词：Cu/SiO2 催化剂 助剂

催化剂是一种能够改变化学反应的速率，而它本身又不参与最终产物的物质。催化剂在现代化学工业中占有重要地位，几乎有半数以上的化工产品在生产过程中都用催化剂。笔者通过实验让学生理解掌握助剂对催化剂活性的影响。

一、工业催化剂的物理组成

多相固体催化剂是目前石油及化学工业中应用最为广泛的催化剂。常见的固体催化剂主要由主催化剂、助催化剂和载体三大部分组成。

1.主催化剂

主催化剂又称活性组分，是多组分催化剂中的主体。没有主催化剂，就不能发生催化反应。

2.助催化剂

助催化剂是催化剂的辅助成分，量较少；助剂本身无活性或活性很小，但加入之后可以改变催化剂的化学组成和结构，从而能提高催化剂的活性、选择性、抗毒性、稳定性或寿命等。

3.载体

载体是活性组分的分散剂、黏合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。它可以起到增大接触面积，增强机械强度、提高耐热性的作用。它与助催化剂的不同在于在催化剂中它的含量远远大于助催化剂。

二、通过实验让学生理解助剂对催化剂性能的影响

1.催化剂的制备

采用混合法制备。将Cu、Cr、Ce、Zr的硝酸盐及碳酸钠按适当比例配成一定浓度的溶液，用分液漏斗在剧烈搅拌、恒温70℃和一定pH值条件下，将NaCO3溶液和上述硝酸盐混合溶液缓慢加入装有少量水和SiO2的烧杯中。待沉淀完全后，继续搅拌陈化2h，用蒸馏水多次洗涤抽滤至中性。滤饼在110℃干燥过夜，随后于400℃在空气中焙烧3h。焙烧完毕后，将催化剂粉碎至粒径40～60目（0.45～0.3mm）待用。

2.催化剂活性评价

催化剂活性评价是在常压固定床流动体系中进行，催化剂用量500～1000mg，粒径40～60目。在进行活性评价时，首先向装填催化剂的反应管中通入10%的H2/N2混合气，在250℃下还原活化3h，然后关闭H2/N2混合气，调节气化室温度为150℃，反应室温度为200～300℃，输入甲醇进行反应，待反应稳定（约2小时）后取样分析。

3.助剂对催化剂活性的影响

下表为各种催化剂上甲醇裂解制氢的反应结果。可以看到，Cu/SiO2催化剂对甲醇裂解反应的活性较低，甲醇转化率和得氢率只有53.2%和36.5%。当单独加入单种助剂Cr、Zr、Ce时，催化剂的整体反应性能都有了很大的改善。其中Cu/Cr/SiO2催化剂的活性提高最为显著，甲醇转化率和得氢率分别可达74.6%和61.1%，这是由于Cu和Cr相互作用形成了Cu/Cr物种，使Cu分散得更好、更稳定，催化剂表现出较高的活性。由下表还可以看出，当两种助剂Ce和Cr共同加入时对催化剂的活性的影响效果比单种助剂的影响效果更好，Cu/Cr/Ce/SiO2催化剂的甲醇转化率达到了80.6%。

注：反应条件为常压，温度250℃，（其中XMeOH表示甲醇转化率，YH2表示得氢率，SH2表示氢气选择性）。

单种助剂Cr、Zr、Ce的分别加入，对铜系催化剂的整体反应性能都起到了很大的提高作用。特别是当两种助剂Ce和Cr共同加入时对催化剂活性的影响效果更为显著，即CuCrCeSi催化剂在甲醇裂解反应中的反应活性比CuCrSi催化剂的高。

（作者单位：海南省技师学院）