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| 內容簡介： |
《工业多相催化剂设计与研究的科学方法》是一本聚焦工业多相催化剂研发思想的专著。工业多相催化剂研发是过程工业中最复杂的工业实践，运行过程中高温、高压及多个反应并行。本书通过工业案例分析与科学研究结合，从催化材料、反应原料、反应器匹配、工艺优化、催化剂生命周期结构的动态变化、实时原位表征及智能设计数据等要素出发，论述与总结了工业多相催化研究的科学方法。
本书可供化学化工领域的研究人员、从事工业催化剂研发的专业人士以及相关专业的研究生参考，也可供对催化科学感兴趣的学者、相关工业领域的技术人员参考阅读。
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| 目錄：
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第1章工业多相催化剂概述1
1.1工业多相催化剂的定义与分类1
1.1.1催化剂与催化作用1
1.1.2多相催化科学的发展1
1.1.3工业多相催化剂的分类3
1.2工业多相催化剂的发展历史3
1.2.1复合型金属氧化物/硫化物催化剂3
1.2.2负载型金属催化剂6
1.2.3酸碱催化剂8
1.2.4沸石分子筛催化剂9
1.3工业多相催化剂与反应器匹配12
1.3.1工业多相催化反应12
1.3.2工业多相催化剂的性质13
1.3.3典型工业过程中的催化剂-反应器匹配案例14
1.4甲醇合成工艺多相催化剂的设计19
参考文献21
第2章工业多相催化理论基础24
2.1多相催化反应的基本定义24
2.2多相催化反应的影响因素25
2.3工业多相催化反应机理的分类26
2.4多相催化反应的传质29
2.4.1固-气相催化反应中的传质29
2.4.2固-液相催化反应中的传质31
2.4.3强化传质的方法与技术32
2.4.4固体多相催化剂体表结构与反应性能33
2.4.5工业多相催化反应36
2.4.6针对苛刻条件的工业催化剂设计37
2.5分子吸（脱）附与反应41
2.5.1物理吸附与化学吸附42
2.5.2吸附势能曲线42
2.5.3吸附热44
2.5.4吸热吸附和放热吸附46
2.5.5吸附热与覆盖度的关系46
2.5.6吸附热在催化反应中的重要性48
2.6吸附速率和脱附速率49
2.6.1理想吸附模型的吸附和脱附速率方程50
2.6.2真实吸附模型的吸附和脱附速率方程51
2.7吸附平衡52
2.7.1吸附等温线52
2.7.2理想吸附模型的等温方程53
2.7.3真实吸附模型的等温方程55
2.8工业催化剂活性中心56
2.8.1催化活性中心的形成机制56
2.8.2工业反应条件下催化活性中心的稳定性57
2.8.3催化活性中心的动态变化过程以及与产品分布的关系58
2.8.4催化活性中心形成与变化的原位表征59
参考文献62
第3章工业多相催化剂活性中心的全生命周期67
3.1催化剂活性中心67
3.1.1固体催化剂中活性位点概念的起源67
3.1.2活性位点的类型67
3.1.3影响位点活性的因素68
3.1.4活性位点的复杂性70
3.1.5活性位点的标定74
3.2催化反应活性中心结构的动态变化76
3.2.1由反应物驱动的催化剂表面重构76
3.2.2反应温度驱动的催化剂表面在反应物气体中的重构84
3.2.3在催化过程中原位/工况表征催化剂86
3.3催化剂失活与活性中心结构90
3.3.1中毒91
3.3.2结焦与积炭101
3.3.3热降解和烧结108
3.4催化剂活性中心的再生过程113
3.4.1中毒催化剂的再生113
3.4.2因焦炭或炭失活催化剂的再生114
3.4.3烧结催化剂的再分散115
参考文献117
第4章工业多相催化剂的结构表征方法132
4.1现场原位技术的介绍与进展132
4.1.1“Operando”的定义与发展132
4.1.2Operando反应器133
4.1.3Operando红外光谱技术135
4.1.4Operando激光拉曼光谱技术138
4.1.5Operando X射线衍射和穆斯堡尔技术142
4.1.6Operando X射线吸收光谱144
4.1.7X射线光电子能谱（XPS）147
4.1.8Operando耦合联用表征技术149
4.1.9Operando技术的发展趋势153
4.2催化剂活性中心结构的认知154
4.2.1催化剂在高真空中的静态表面与在反应物介质中的动态表面154
4.2.2催化剂表面在高真空与同一反应物气相中存在差异的原因155
4.2.3催化剂表面复杂反应差异的本质157
4.2.4基于电子的in situ/Operando表征技术涵盖的压力区间158
4.3催化剂构-效关系构建158
4.3.1负载型金属催化剂158
4.3.2负载型金属氧化物催化剂163
4.3.3沸石165
参考文献167
第5章工业多相催化剂的工程化175
5.1催化剂制备方法175
5.1.1沉淀法176
5.1.2浸渍法185
5.1.3溶胶-凝胶法197
5.2工业多相催化剂成型203
5.2.1成型的目标203
5.2.2固定床反应器——颗粒状催化剂205
5.2.3固定床反应器——整体型催化剂212
5.2.4移动床反应器的催化剂217
5.2.5流化床反应器的催化剂218
5.3工业催化剂机械强度、抗毒稳定性及其寿命的测定和评价219
5.3.1机械强度的测定219
5.3.2抗毒稳定性的评价223
5.3.3工业多相催化剂的寿命227
参考文献232
第6章工业多相催化剂的设计方法239
6.1传统工业多相催化剂开发的一般过程240
6.1.1催化剂设计的框图程序240
6.1.2目标反应的热力学分析243
6.1.3目标反应的经济性分析244
6.1.4催化剂主要成分——活性组分的选择246
6.1.5催化剂载体的选择258
6.1.6催化剂次要组分的优化选择261
6.2催化剂优化设计模型262
6.2.1几何结构描述符263
6.2.2d带中心模型——电子特征描述符264
6.2.3能量描述符268
6.2.4复合描述符模型269
6.3催化剂设计与优化方法273
6.3.1遗传算法在催化剂设计方面的应用273
6.3.2机器学习在催化剂设计方面的应用277
6.3.3生成式人工智能282
6.4工业催化剂理性设计的挑战与展望283
6.4.1工业催化剂结构动态演变的普遍性与复杂性284
6.4.2实验试错法——“盲人摸象”与效率困局284
6.4.3经验法——催化剂静态结构知识库缺乏扩展有效性285
6.4.4理论预测法——真实数据的瓶颈286
6.4.5破解催化剂理性设计困局的利器——多种谱学联用原位技术287
6.5结语289
参考文献289
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| 內容試閱：
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在漫长的工业化过程中，人们已经形成共识，即工业催化剂是现代过程工业的核心材料之一，约90%工业催化反应是通过多相反应完成的。催化反应过程可以大幅提高工业生产效率，也极大地改变了我们生活的方方面面，高性能多相催化剂也是化学工业的“芯片”。一种成熟的工业催化剂及对应反应过程从研发到应用，要历经漫长的优化、试错、过程逐级放大、工程示范、经济分析等过程；即使是成熟的过程工业研发团队，一般也需要三十年左右时间，研发投资巨大。目前，我国正处于发展新质生产力“爬坡上山”的关键阶段，工业多相催化剂无疑是发展化学工业新质生产力的关键要素。
在催化科学发展过程中，人们发展了丰富的研究方法论以及相对应的知识体系。计算化学以及模型催化基础研究已经积累了丰富的信息，为将来人工智能辅助的工业多相催化剂的理性设计奠定了基础。非常遗憾的是，目前为止，工业多相催化剂的研发还是主要依靠试错筛选，至少在可预测的未来，实验试错与人工筛选仍然是研发工业多相催化剂的唯一有效路径。历史上很长一段时间，由于认知的局限性，科学界不认为对工业催化反应及催化剂的研发是一项严肃的科学研究，将其归为技艺或技术范畴。因为工业多相催化剂组成非常复杂，在反应过程中经常处于高温、高压、高空速、多组分、多反应并行等复杂运行环境中，而且工业多相催化剂的表面结构或活性中心一直处于动态变化的过程中，活性中心有自己的全生命周期，所以很难人工“制备”或“控制”出来。一种成功的工业多相催化剂设计，包括：催化剂前驱体制备工程、反应工程、工业反应器设计、反应工艺优化、全流程设计与优化等。经过要素简并的催化模型与工业催化体系相差甚远，存在难以逾越的“材料鸿沟与压力鸿沟”。针对复杂工业催化现象，如何进行理性设计与科学研究，人们经常处于茫然无助状态。
本书基于这一背景，紧紧围绕工业多相催化剂及反应案例，探索多相催化剂设计与研究的科学方法，初衷是向催化研究同仁介绍我们团队对于工业多相催化剂研发的认知与设计原则，以便大家共同探索提高工业催化剂研发效率的途径。本书的特点是以化学工程实践为背景，聚焦工业多相催化剂的设计，对于工业催化剂活性中心全生命周期等新概念与先进结构表征技术的介绍力求深入浅出，思维创新。从工业实际案例出发，强化催化理论与实践的结合，目标是打破工业多相催化设计的困局，提高研发效率。
本书共分为6章。第1章工业多相催化剂概述：介绍工业多相催化剂与重要催化技术的发展历史及工业催化剂设计发展趋势。第2章工业多相催化理论基础：以过程工业为背景，描述工业催化的特点；以反应物分子催化反应的历程为线索，引入催化剂活性中心、表界面、催化反应及分子合成等基本概念。第3章工业多相催化剂活性中心的全生命周期：揭示全生命周期活性中心结构变化，分类介绍催化材料的制备、活化、反应、失活、再生过程催化剂活性中心的变化及构-效关系的建立。第4章工业多相催化剂的结构表征方法：介绍工业多相催化剂体表结构各种动态构-效关系的表征技术与方法，特别是时间、空间尺度分辨的催化剂结构动态变化；外场影响活性中心结构的原理及原位仪器发展案例。第5章工业多相催化剂的工程化：从固体催化剂组成的角度，介绍大量制备方法、工程应用路径以及与化工过程的匹配原则。第6章工业多相催化剂的设计方法：介绍了高通量、大数据、机器学习与人工智能应用，以及催化剂在重要工业领域的一些应用案例，也适当介绍了在一些新兴领域中的研究应用情况。
中外催化方面的著作已经很多，本书试图从工业应用的角度努力让工业多相催化剂设计与研究成为科学与艺术。本书适合作为化工领域的研究生、学者以及从事工业催化剂研发的专业人士的参考工具书，也适合对催化科学感兴趣的学者从工业应用的角度考虑催化研究。由于我们认知的局限性，书中的案例分析主要来自工业反应，出于工业技术保密的要求，也由于作者的水平局限，难免有描述不准确的地方，请广大读者批评指正。
作者
2025年12月
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