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图书简介：精细化工中的催化剂设计与应用 本书深入探讨了现代精细化工领域中催化剂设计、性能优化及其在复杂化学反应中的实际应用。全书结构严谨，内容详实，旨在为化工研究人员、工艺工程师及相关专业学生提供一个全面且深入的参考平台。 --- 第一部分：催化剂基础理论与新型材料的构建 本部分聚焦于催化反应的微观机理与宏观效应之间的桥梁——催化剂材料本身。 第一章：催化反应动力学与热力学基础的深化 本章首先回顾了经典的多相催化反应动力学模型，如Langmuir-Hinshelwood机制和Eley-Rideal机制，并在此基础上引入了非稳态吸附-脱附动力学的概念，以更准确地描述高选择性反应过程中的瞬态行为。重点分析了活性位点几何构型、电子结构与反应速率常数之间的量子化学计算关联。此外，章节详细阐述了反应过程中的能垒分散效应（Energy Barrier Distribution），解释了为何在实际催化剂表面，活性位点的能垒并非单一数值，而是遵循特定的统计分布，这对理解催化剂的有效因子（Effectiveness Factor）至关重要。 第二章：纳米结构控制与活性位点工程 现代催化剂的性能高度依赖于其纳米尺度的形貌控制。本章详细介绍了模板法、溶剂热法和原子层沉积（ALD）技术在构建具有精确尺寸和形貌的纳米催化剂载体（如介孔二氧化硅、金属有机框架MOFs和共价有机框架COFs）中的应用。特别关注了单原子催化剂（SACs）的制备技术，探讨了如何通过精确调控载体与金属原子之间的相互作用（SMSI效应），实现对电子态的精细调控，从而最大化原子利用率并优化催化性能。内容涵盖了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和X射线吸收近边结构（XANES）在解析活性位点结构中的应用案例。 第三章：非贵金属替代物与绿色催化体系 面对贵金属（如铂、钯）资源日益稀缺和价格波动，本章将重点放在廉价、储量丰富的过渡金属催化剂的开发上。详细介绍了铁、钴、镍基催化剂在C-H键活化、费托合成（FTS）以及选择性氧化反应中的最新进展。深入分析了氮化铁、硫化钴等非贵金属催化剂的本征活性结构，并探讨了通过表面缺陷工程和界面修饰来提升其催化活性的策略。本章还探讨了电催化和光催化作为传统热催化替代方案的潜力，尤其是在温和条件下实现复杂分子的转化。 --- 第二部分：复杂有机合成中的前沿催化应用 本部分将理论知识应用于具体的、高价值的精细化学品合成路线中，强调催化剂的选择性控制。 第四章：高选择性加氢与脱氢反应催化剂 加氢和脱氢反应是石油化工和精细化工中基础且关键的单元操作。本章针对烯烃、炔烃、羰基化合物和硝基化合物的选择性还原，对比了不同催化体系的优劣。重点介绍了手性催化剂在不对称氢化反应中的应用，包括Ru-BINAP体系的工业优化与新型磷配体的设计。对于脱氢反应，则深入讨论了氧化偶联催化，特别是利用二氧化碳作为氧化剂实现醇的脱氢偶联生成酯或醚的绿色合成路线。 第五章：C-C键和C-N键的构建：交叉偶联反应的进化 钯催化的交叉偶联反应（如Suzuki, Heck, Buchwald-Hartwig胺化）是药物中间体和功能材料合成的基石。本章不仅回顾了经典体系，更侧重于低贵金属负荷（ppm级）甚至无贵金属催化的突破。详细分析了镍催化剂在活化惰性C-Cl键和C-O键偶联反应中的潜力，以及如何通过配体设计来稳定低价态的金属中心，避免副反应的发生。针对C-N键的构建，重点讨论了胺的直接芳基化，并介绍了在水相和非极性溶剂中实现高产率偶联的技术。 第六章：选择性氧化与功能基团转化 氧化反应通常伴随着副产物生成的挑战，因此对催化剂的选择性要求极高。本章系统介绍了多相氧化催化剂（如负载型钒、钼氧化物）在烯烃环氧化和选择性醇氧化中的应用。深入探讨了单原子位点在氧转移反应中的优势，例如通过氧化铁单原子位点实现烃类的羟基化。此外，本章还包括了针对复杂天然产物合成中对特定官能团进行温和、高选择性活化的催化策略，如使用铁卟啉配合物催化模拟细胞色素P450酶的反应。 --- 第三部分：工业化放大与过程强化技术 本部分将研究室的成果转化为可行的工业流程，关注催化剂的稳定性、寿命与反应器的优化。 第七章：催化剂的失活机制与再生策略 催化剂的寿命是衡量其工业经济性的关键指标。本章详细分类了失活的主要原因：烧结、积碳（焦化）、中毒（毒化）和结构重排。针对积碳问题，系统分析了不同原料和反应温度下积碳的化学结构与生长速率模型。本章投入大量篇幅介绍原位催化剂再生技术，包括控制气氛下的氧化-还原循环、超临界流体清洗技术，以及利用光/电场辅助的低温再生方法。 第八章：反应器设计与过程强化 催化反应的效率不仅取决于催化剂本身，也高度依赖于反应器的传质和传热性能。本章对比了固定床、流化床和浆态床反应器在不同催化体系下的适用性。重点介绍了微通道反应器（MCRs）在提高传质效率、精确控制温度（即抑制热点形成）方面的优势，及其在高放热反应如硝化、高压加氢中的应用实例。此外，本章还探讨了反应精馏和膜反应器等过程强化技术如何与催化剂协同作用，以克服反应平衡限制或实现高效产物分离。 第九章：催化剂的长期稳定性评价与寿命预测 本章旨在为工业界提供一套可靠的催化剂性能评估体系。详细介绍了加速老化测试（Accelerated Aging Tests）的设计原则，包括高温高压下的长期运行模拟。章节引入了基于机器学习（ML）的催化剂寿命预测模型，通过集成实验数据（如BET表面积变化、孔隙结构演变和XPS价态变化）来建立早期失活风险评估指标，从而优化催化剂的批次筛选和使用周期。 --- 本书内容全面涵盖了从基础理论到前沿应用，再到工业放大的全链条知识体系，为推动精细化工过程的效率提升和绿色化发展提供了坚实的理论与实践指导。
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