Гетерогенный катализ

ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ, изменение скорости или инициирование химической реакции за счёт взаимодействия (контакта) реагентов с катализаторами, которые образуют самостоятельную фазу, отделённую от реакционной среды поверхностью раздела; устаревшее название «контактный катализ». В большинстве случаев явление катализа обусловлено циклическими промежуточными химическими взаимодействиями молекул реагирующих веществ с катализатором. Эти взаимодействия приводят к образованию реакционноспособных промежуточных химических соединений - каталитических интермедиатов; по завершении цикла взаимодействий и образования конечных продуктов ускоряемой реакции катализатор восстанавливает свой химический состав. Результирующее стехиометрическое уравнение химических превращений не включает катализаторы.

Наиболее распространён гетерогенный катализ, при котором катализатор является твёрдым веществом и ускоряет реакции между реагентами в газовой или в жидкой фазах. В этом случае каталитическому превращению реагентов предшествует диффузия молекул реагирующих веществ к поверхности катализатора и их адсорбция (обычно хемосорбция) на поверхности катализатора. Основные каталитические превращения, в том числе и хемосорбция реагентов, происходят на активных центрах катализатора. Далее происходит десорбция молекул продуктов реакции с поверхности катализатора и их диффузия в жидкую или газовую фазу.

Основными характеристиками катализаторов в гетерогенном катализе являются каталитическая активность (количественно выражается обычно отношением скорости катализируемой реакции, то есть числа катализируемых превращений молекул реагентов в единицу времени, к массе или объёму катализатора) и удельная каталитическая активность (отношение скорости к единице поверхности катализатора или к числу активных центров), а также селективность процесса (отношение скорости накопления целевого продукта к сумме скоростей всех превращений исходного реагента), определяющая вероятность того, что превращение молекул реагентов происходит в требуемом направлении. Важнейшие параметры, позволяющие влиять на скорость процесса, - температура и давление (концентрация) реагентов.

Высокая активность многих практически важных катализаторов гетерогенного катализа обусловлена большой концентрацией активных центров на поверхности катализатора. Любое увеличение поверхности катализаторов, в том числе за счёт её макро-, микро- или нередко наноструктурирования, усиливает их активность. Удельная поверхность типичных промышленных катализаторов гетерогенного катализа - от нескольких десятков до нескольких сотен м² на 1 г катализатора.

Природа веществ, способных выступать в качестве катализаторов в гетерогенном катализе, очень разнообразна и зависит от типа катализируемой реакции и условий её проведения (например, температуры). Так, типичными катализаторами кислотно-основных реакций являются простые и смешанные оксиды непереходных металлов, в том числе наноструктурированные молекулярные сита (например, цеолиты), ионообменные смолы. В качестве катализаторов окислительно-восстановительных превращений широко применяют диспергированные благородные металлы в свободном состоянии или закреплённые на носителе, оксиды и сульфиды переходных металлов и пр. В гетерогенном фотокатализе используют оксиды и сульфиды с полупроводниковыми свойствами.

В промышленности катализаторы гетерогенного катализа относят к средне- и малотоннажным продуктам, их удельная стоимость в общей себестоимости производимой продукции обычно не превышает 0,1-2%. Общий объём использования таких катализаторов в России 80-100 тысяч т/год; стоимость - в мире 10-12 миллиардов долларов США/год, в России 600-700 миллионов долларов США/год (2005).

Гетерогенно-каталитические процессы имеют важное практическое значение. На их использовании основано до 90% технологий нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслей промышленности. Гетерогенный катализ применяют при глубокой переработке нефти, производстве высокооктанового бензина, малосернистого дизельного и специальных видов топлива, органических растворителей, мономеров для получения пластмасс, многих полимеров, органических и неорганических кислот, удобрений и средств защиты растений, лекарств и биологически активных веществ, некоторых пищевых продуктов и пр. Реакции с использованием гетерогенного катализа лежат в основе многих природоохранных технологий, например, очистки отходящих, дымовых и выхлопных газов от летучих органических соединений, монооксида углерода, оксидов азота, диоксида серы, сероводорода. В промышленно развитых странах действуют законы, требующие обязательного оборудования автомобилей каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов. Большое значение гетерогенный катализ (в том числе электрокатализ) имеет для автономной, водородной и нетрадиционной энергетики, в частности, для создания топливных элементов для высокоэффективных электрохимических генераторов.

Лит.: Боресков Г. К. Гетерогенный катализ. М., 1988; Крылов О. В. Гетерогенный катализ. М., 2004.