V chemii hovoříme o heterogenní katalýze, když jsou katalyzátor a činidla v několika fázích . Katalyzátor je obvykle pevný a reaktanty jsou plynné nebo ve vodném roztoku . Heterogenní katalýza má zásadní význam v mnoha oblastech chemického průmyslu a energetiky. Na důležitost heterogenní katalýzy upozorňují Nobelovy ceny pro Fritze Haberu v roce 1918, Carla Bosche v roce 1931, Irvinga Langmuira v roce 1932 a Gerharda Ertla v roce 2007.
Katalyzátor v pevném stavu katalyzuje reakci v kapalné fázi nebo v plynné fázi .
Reakce probíhá na rozhraní mezi pevnou a plynnou fází. Bude proto o to efektivnější, že tento povrch je důležitý. Z tohoto důvodu mají katalyzátory obecně velmi velké specifické povrchy . Je také možné maximalizovat poměr mezi kontaktní plochou katalyzátoru a hmotou katalyzátoru použitou dispergováním tohoto katalyzátoru na jinou pevnou látku, jako je keramická pěna, která mu bude sloužit jako nosič.
Ve většině průmyslových aplikací se používá tento typ. Ve skutečnosti může být v tomto typu procesu katalyzátor získán jednoduchou filtrací nebo fixován v proudu reaktantu. To umožňuje jednak snadné získání, aby bylo možné jej znovu použít, ale také vyhnout se operacím pro oddělení katalyzátoru od produktů na konci reakce.
Heterogenní katalýza probíhá podle schématu obsahujícího několik kroků (obvykle sedm).
Sedm kroků je následujících:
V případě oxidace uhlovodíků na oxidy navrhli P. Mars a DW van Krevelen mechanismus redoxního typu. V tomto případě je reaktivní látkou atom kyslíku v oxidové síti (ve formě O 2- ), který reaguje s uhlovodíkem. Tento kyslík se potom regeneruje příchodem kyslíku z plynné fáze.
U tohoto typu mechanismu probíhá reakce mezi druhy adsorbovanými na povrchu katalyzátoru. To tedy znamená, že druhy nezbytné pro reakci jsou přítomny na povrchu katalyzátoru. To neznamená, že musí být přítomny všechny druhy účastnící se reakce. V případě reakcí zahrnujících několik druhů a několik kroků se substrát může pohybovat na povrchu katalyzátoru a také reaktantů. V případě oxidace těkavých organických sloučenin zahrnuje tento mechanismus povrchovou reakci mezi kyslíkem a VOC. Oba jsou adsorbovány na aktivních stránkách stejného typu. Adsorpce kyslíku a VOC může nebo nemusí být disociační s možnou konkurencí reaktantů mezi nimi.
Na rozdíl od předchozího mechanismu zde probíhá reakce mezi látkou adsorbovanou na povrchu katalyzátoru a látkou neadsorbovanou. V případě katalytické oxidace VOC je na povrchu katalyzátoru adsorbován pouze VOC nebo kyslík, což umožňuje říci, že reakce probíhá mezi molekulou adsorbovaného VOC a molekulou kyslíku v plynné fázi nebo naopak.
Ačkoli většina heterogenních katalyzátorů jsou pevné látky, existuje mnoho variací.
Reakční fáze | Uvedené příklady | Komentář |
---|---|---|
pevná látka + plyn | Syntéza amoniaku z N 2 + H 2 na katalyzátorech na bázi železa | |
pevné + řešení | Hydrogenace mastných kyselin niklem | Používá se k výrobě margarínu |
nemísitelné kapalné fáze | Hydroformylace z propenu | Katalyzátor ve vodné fázi, činidla a produkty hlavně v nevodné fázi |
Průmyslové procesy | Reagencie, produkty | Katalyzátor (y) | Komentář |
---|---|---|---|
Syntéza kyseliny sírové
( Kontaktní metoda ) |
SO 2 + O 2 , SO 3 | oxid vanadičitý | Hydratace SO 3 za vzniku H 2 SO 4 |
Syntéza amoniaku
( Haberův proces ) |
N 2 + H 2 , NH 3 | hydroxidem draselným modifikované železo | Asi 80% NH 3 produkce se používá při výrobě hnojiv a 10% při výrobě kyseliny dusičné. |
Syntéza kyseliny dusičné
( Ostwaldův proces ) |
NH 3 + O 2 , HNO 3 | Pt - Rh tkaniny | přímé trasy z N 2 nejsou ekonomické |
Výroba syntézního plynu reformací metanu | CH 4 + H 2 O, H 2 + CO 2 | nikl podporován na oxidu hlinitém | Šetrnější k životnímu prostředí trasy na H 2 od vody štěpení jsou aktivně hledal |
Syntéza methanolu
( ICI proces a Lurgi proces ) |
CO + H 2 , CH 3 OH | CuO / ZnO / Al 2 O 3 | CH 3 OH je meziproduktem v chemickém průmyslu a pro výrobu kapalných paliv |
Syntéza ethylenoxidu | C 2 H 4 + O 2 , C 2 H 4 O |
kovové stříbro podporované na oxidu hlinitém ,
(s mnoha promotéry ) |
špatně použitelné na jiné alkeny |
Katalytické krakování | C n H 2n + 2 , C m H 2m + 2 + C 3 H 6 | kyselý katalyzátor | zvyšuje kvalitu vyráběného benzínu |
Izomerizace | pentan - hexan , substituované parafiny | buď chlorovaný oxid hlinitý obsahující 0,3% platiny , nebo zeolit mordenitového typu obsahující také Pt) | vyrábět substituované parafiny ( vysoké oktanové číslo) |
Odsíření ropy ( hydrodesulfurace ) | H 2 + sulfid uhlovodíku, RH + H 2 S | Mo - Co na Al 2 O 3 | vyrábí uhlovodíky s nízkým obsahem síry, síra získaná Clausovým procesem |