Xúc tác kim loại và oxit kim loại potx

Xúc tác kim loại và oxit kim loại
Các chất xúc tác có thể tạo được ra từ rất nhiều vật liệu bao gồm các kim loại, oxít
kim loại, sulfua kim loại và các oxit cách nhiệt. Tuỳ thuộc vào sử dụng, các vât
liệu xúc tác có thể ở dạng không chất nền hoặc chất nền trên một chất mang. Dạng
thực của chất xúc tác được quyết định bởi thiết bị đã định và phản ứng dùng xúc
tác.
1. Các chất xúc tác kim loại không chất nền.
Một vài chất xúc tác công nghiệp được sử dụng ở dạng các kim loại không chất
nền. Thông thường, một quá trình xúc tác yêu cầu một diện tích bề mặt kim loại
lớn để giảm tối thiểu các yêu cầu cho chất xúc tác. Tuy nhiên, có một vài quá trình
mà tốc độ phản ứng trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt xảy ra rất nhanh mà chỉ cần
có một diện tích bề mặt kim loại hoạt động nhỏ là đủ. Các chất xúc tác kim loại
không chất nền có rất nhiều dạng: dạng dây, dạng lá, dạng lưới, dạng hạt thô, dạng
bột và dạng mảnh khung (Raney).
Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng dây, lá và lưới thường được gọi là
các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng khối khi các hạt kim loại ở dạng
khối. Thường thường các chất xúc tác này được sử dụng cho các phản ứng điều
chỉnh sự truyền khối ở nhiệt độ cao.
"Black" là bột kim loại mà ta thu được khi khử muối kim loại hoặc ngưng tụ hơi
kim loại. Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng bột thường được tạo ra từ
các hạt kim loại tương đối lớn có diện tích bề mặt thấp. Những vật liệu này ít khi
được sử dụng với một tỉ lệ lớn nhưng có thể được dùng trong các thiết bị trộn chất
nhão gián đoạn trong ngành công nghiệp dược phẩm.
Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng khung được tạo ra nhờ ngâm chiết
ra một thành phần từ một hợp kim, còn để lại các hạt hoạt động ở dạng vật liệu
xốp có diện tích bề mặt lớn. Ví dụ điển hình cho loại này là chất xúc tác niken
Raney. Chất xúc tác này được điều chế từ hợp kim niken-nhôm, nhờ ngâm chiết ra
được hầu hết nhôm bằng dung dịch kiềm để giữ lại một chất xúc tác niken xốp.
Niken Raney là một chất xúc tác hidro hoá rất tốt để sử dụng trong các thiết bị trộn
bột nhão nhưng chúng dần được thay thế bởi các chất nền.
Ba ví dụ của phản ứng dùng chất xúc tác kim loại không chất nền được đưa ra

trong bảng 3

Bảng 3: Các phản ứng dùng chất xúc tác kim loại không chất nền
2. Các chất xúc tác nóng chảy
Việc sản xuất các chất xúc tác nhờ làm nóng chảy các oxit không còn được sử
dụng rộng rãi. Sản phẩm nóng chảy có diện tích bề mặt không đáng kể và phải đạt
được điều này trong việc hoạt hoá chất xúc tác (ví dụ bằng cách khử). Trong phần
này, chất xúc tác quan trọng nhất được tạo ra là chất xúc tác tổng hợp amoniac.
Chất xúc tác này được sản xuất nhờ làm nóng chảy quặng Manhêtit cùng với các
chất hỗ trợ thích hợp. Rõ ràng các kỹ thuật cũ không còn phù hợp với chất xúc tác
nóng chảy và nguyên liệu phải được đúc, nghiền phân đoạn để có kích cỡ phù
hợp.
3. Các chất xúc tác oxit
Các chất xúc tác oxit có thể dễ dàng chia ra làm 2 loại chính : chất cách điện và
chất bán dẫn. Chất cách điện là những vật liệu mà những hạt cation ở trạng thái
hoá trị 1. Các ví dụ cho loại oxít cách điện bao gồm Al
2
O
3
, SiO
2
và 3Al
2
O
3
và
3Al
2
O
3

.2SiO
2
. Các vật liệu này sử dụng chủ yếu như là axít rắn hoặc là bazơ rắn
và như là chất nền cho các hạt hoạt tính xúc tác khác.
Các oxít bán dẫn là vật liệu mà trong đó các hạt kim loại được chuyển đổi qua lại
tương đối dễ dàng giữa hai trạng thái hoá trị. Điều này có thể là giữa hai trạng thái
ôxi hoá khác nhau như trong:
Fe
2
O
3
« Fe
3
O
4

hoặc sự chuyển đổi giữa ion dương và kim loại trung tính, giống các ôxít dễ bị khử
như là ZnO và CdO. Các ôxít bán dẫn được sử dụng phổ biến hầu hết trong các
phản ứng oxi hoá chọn lọc. Các ví dụ về các phản ứng xúc tác bởi các oxít được
cho trong bảng 4.
Bảng 4. Các phản ứng được xúc tác bằng oxít

4. Các chất xúc tác có chất nền
Các hạt xúc tác thường được phân tán trên chất nền. Mục đích chính của việc sử
dụng thành phần hoạt tính xúc tác cho chất nền là để làm tăng đáng kể sự khuyếch
tán và sinh ra các chất hoạt tính cao. Khái niệm trước đây về chất nền là một chất
trơ, dùng để làm phương tiện phân bố hợp phần cấu tử xúc tác đắt tiền, như là kim
loại quý, để tận dụng được hiệu quả lớn hơn nữa của các kim loại so với kim loại
dạng khối, ví dụ như là bột platin. Tuy nhiên, với các chất xúc tác kim loại thường
thì việc sử dụng chất nền thường nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ ổn định

của chất xúc tác. Điều này có thể đạt được nhờ sự tương tác phù hợp của các thành
phần hoạt tính với chất nền. Do đó, việc lựa chọn chất nền là cực kỳ quan trọng
trong việc thiết kế một chất xúc tác. Các đặc tính vật lý và hoá học cần có trong
việc lựa chọn chất nền được đưa ra trong bảng 5

Bảng 5. Các tính chất vật lý và hoá học của chất nền
Mặc dù một bảng tóm tắt chi tiết các đặc điểm được liệt kê trong bảng 5 nhưng
cũng nên biết rằng không một chất nền nào có thể đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu
trên. Các vật liệu chất nền thường được sử dụng nhất là Al
2
O
3
, SiO
2
, 3Al
2
O
3
.2SiO
2

và cácbon hoạt tính. Bảng 6 tóm tắt toàn bộ vật liệu chất nền sử dụng cho Tây Âu
trong năm 1990. Một vài vật liệu khác được sử dụng giới hạn làm chất nền như là
TiO
2
, MgO, Cr
2
O
3
và Zn

2
O
3
(ZnO
2
). Việc dùng Cr
2
O
3
làm chất nền cho chất xúc
tác là rất hạn chế bởi độc tính tự nhiên của nó.

Bảng 6. Lượng tiêu thụ chất nền xúc tác ở Tây Âu vào năm 1990
Như đã chỉ ra trong phần trước ( hình 1 và 2), vật liệu chất nền có thể ở dưới nhiều
dạng khác nhau như là dạng khối cầu, dạng hạt, dạng ép trồi, dạng hình trụ và
dạng bột. Những vật liệu chất nền này có thể được tẩm bằng muối kim loại của
pha hoạt hoá cần dùng. Một chất nền dạng bột có thể được hợp nhập vào hỗn hợp
để kết tủa hoặc chất nền có thể được kết tủa từ dung dịch trong quá trình sản xuất.
Chất nền có cấu trúc như dạng nguyên khối (hình 2) thường không phổ biến mà
trong đó các hạt hoạt tính thường được phân tán trên diện tích bề mặt lớn để tráng
rửa toàn bộ bề mặt. Dạng khối thường là vật liệu sứ ở dạng khối đơn sắp xếp song
song đều nhau, có các rãnh thẳng không nối liền nhau. Dạng chất nền này đặc biệt
hữu ích vì độ giảm áp rất thấp của nó và điều thuận lợi này được tận dụng trong
chất xúc tác cho khói xe ôtô để làm giảm tối thiểu năng lượng tổn thất của động
cơ. Bảng 7 cho biết một vài chất xúc tác có chất nền