Cơ chế của quá trình xúc tác trên kim loại: các thông tin và quy tắc kinh nghiệm
1. Định nghĩa chất xúc tác
- Làm tăng tốc độ phản ứng.
- Không bị chuyển hóa trong một chu kỳ xúc tác.
nA + mB + pK <--> qC + rD + .... + xK
=> không có sự thay đổi về giá trị nhiệt động
2. Hoạt hóa phản ứng bằng xúc tác
Trong việc phân loại xúc tác, người ta phân thành 2 nhánh lớn nhất là xúc tác đồng thể và dị thể, trong đó xúc tác dị thể chiếm 90% và 10% còn lại thuộc về xúc tác đồng thể.
3. Cơ chế xúc tác trên kim loại
- Trong xúc tác dị thể thì xúc tác kim loại chiếm 70%.
- Các kim loại có hoạt tính xúc tác thường là: Nhóm VIII và Ib:
VIII(10): Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt
Ib(11) : Cu, Ag, Au
- Trong cùng một phản ứng, luôn luôn có sự khác biệt rất lớn về hoạt tính xúc tác giữa các kim loại khác nhau. Hoạt tính xúc tác của kim loại trong 1 phản ứng được đo bằng "tâm kim loại", có nghĩa là bằng nguyên tử kim loại trên bề mặt có thể tiếp xúc được với các tác chất. "Tâm kim loại" cũng được gọi là "số lần quay" (k.h là TON turnover number hay NR nombre de rotation) hay "tần số quay" (k.h là TOF turnover frequency hay FR fréquence de rotation) và có đơn vị là h-1 hoặc s-1
Ví dụ:
Phản ứng CO + 3H2 --> CH4 + H2O
TOF ở 548K (s-1):
Ru(=181) > Fe(57) > Ni(32) > Co(20) > Rh(13)~ Pd(12) > Pt(2.7) > Ir (1.8)
Ru(181) có nghĩa là 1 nguyên tử Ru có thể chuyển hóa 181 phân tử CO trong 1 giây
Phản ứng C2H6 + H2 --> 2CH4
TOF ở 478K(s-1):
Rh(6e-2) > Ni(1.1E-2) > Ir(1.2E-3) > Re(9.2E-4) > Co (5.3E-4) > Fe(6.1E-5) > Cu (4.9E-5)
- Có các phản ứng
nhạy cấu trúc và
không nhạy cấu trúc. Nghĩa là TOF có phụ thuộc vào các tâm kim loại khác nhau trên chất xúc tác hay không? nếu tất các các tâm đều có hoạt tính như nhau thì phản ứng là không nhạy cấu trúc. Còn nếu như hoạt tính các tâm ở các vị trí khác nhau (ví dụ như ở các mặt tinh thể khác nhau) là khác nhau thì phản ứng gọi là nhạy cấu trúc.
- Hiệu ứng hỗ trợ "synergie" đối với hệ 2 kim loại M1M2: hoạt tính của hệ 2 kim loại cao hơn hoạt tính tổng của 2 kim loại riêng rẽ.
- Thông thường thì các kim loại có hoạt tính xúc tác rất quan trọng trong các dạng phản ứng sau
a. Các phản ứng cắt và tạo thành các liên kết C-H, C-C (hydro hóa, dehydro hóa, vòng hóa...) và cả các liên kết C=O, C=-N, C-halogen... được sử dụng trong các quá trình như tinh chế, chuyển hóa khí tự nhiên (hydro hóa CO, tổng hợp Ficher-Tropsch), hóa dầu (hydro và oxy hóa chọn lọc)
b. Các phản ứng cắt đứt lk C-C dưới tác dụng của H2O: được sử dụng trong các quá trình điều chế hydro, các khí để sử dụng trong các quá trình tổng hợp...
c. trong các phản ứng oxy hóa hoàn toàn một số lượng lớn hyrocarbon, các hợp chất có hữu cơ có chứa O,... Sử dụng trong các quá trình sử lý khí thải, xử lý COV...
d. Các phản ứng khử NOx (các oxit Nitơ)
e. và rất nhiều trong điện xúc tác
(còn tiếp... )