沸石分子筛催化

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isbn号码:9787561103548
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  • 沸石
  • 分子筛
  • 催化
  • 多相催化
  • 吸附
  • 环境催化
  • 石油化工
  • 精细化工
  • 材料科学
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具体描述

图书简介:《工业催化中的新型结构材料研究》 内容概要 本书聚焦于现代工业催化领域中,一类具有特定结构和功能的新型材料的研发、表征与应用。不同于传统的催化剂载体或活性组分,本书深入探讨的是那些通过精妙设计实现的孔道结构、表面形貌和化学组分调控所带来的催化性能的飞跃。全书内容围绕高比表面积、可控孔道尺寸分布、多功能协同效应这三大核心要素展开,旨在为催化剂的设计师和研究人员提供一套系统的理论指导与实验范式。 第一章:催化材料的结构-性能关系基础 本章首先回顾了工业催化反应的通用机理,强调了催化剂表面活性位点的数量、性质及其可及性对于反应速率和选择性的决定性作用。在此基础上,引入了先进结构材料的概念,指出传统材料在应对日益复杂的化工过程(如低能耗、高选择性、环境友好型反应)时所面临的瓶颈。重点阐述了形貌控制、尺寸效应以及晶体缺陷如何影响催化剂的电子结构和吸附-脱附热力学,为后续章节中新型材料的设计奠定理论基础。 第二章:多级孔道结构的构建与调控 高效催化剂的关键在于确保反应物能够迅速到达活性中心,同时产物能够高效脱离。本章详细剖析了构建微孔、介孔和大孔协同作用的多级孔道结构的技术路径。 模板法与自组装技术: 深入探讨了有机软模板剂(如表面活性剂、聚合物)在控制介孔尺寸和分布中的作用机制。分析了不同合成温度和pH值对方形、六角形等规整孔道结构的形成影响。 刻蚀与衍生化策略: 介绍了通过选择性去除或修饰结构中的特定组分,以引入更大孔道或调整孔道壁的化学性质的方法。例如,如何利用酸碱处理在已成型的骨架材料中“雕刻”出介孔结构。 孔道网络连通性分析: 引入先进的气体吸附-脱附等温线分析(BET/BJH方法)的深度解读,并结合X射线断层扫描(X-ray Tomography)技术,对材料内部的真实孔道拓扑结构进行三维可视化重建和定量评估,揭示扩散阻力与催化活性的内在联系。 第三章:功能化表面与活性位点的精确锚定 本章关注如何在构建优良骨架结构的同时,实现活性组分的均匀分散和稳定锚定,避免高温烧结或浸渍导致的活性组分聚集问题。 单原子催化剂(SACs)的界面工程: 详述了如何利用特定配位环境的缺陷位点(如空位、边缘位)或预设的锚定位点(如氮、硫原子)来稳定分散金属原子。讨论了DFT(密度泛函理论)计算在预测最佳锚定位点和配位几何构型中的应用。 异质结的构建与电荷转移: 研究了不同材料组分(如半导体与金属氧化物)之间形成的界面,如何通过电子的有效转移来调节活性位点的电子态密度,从而优化反应能垒。详细比较了固相反应法、共沉淀法以及原子层沉积(ALD)在构建高活性异质结方面的优劣。 表面官能团化: 探讨了通过后修饰引入酸性、碱性或亲水/疏水官能团,以实现对特定底物分子的选择性富集和定向活化的策略,特别是在复杂多相反应体系中的应用。 第四章:先进结构材料在典型工业反应中的应用案例 本章通过多个具体的工业催化过程,展示了新型结构材料的优越性能和工程化潜力。 选择性氧化反应: 分析了具有层状结构材料在低温、低氧分压下实现高选择性环氧化或脱氢反应的机制,重点阐述了如何利用层间限域效应抑制副反应的发生。 加氢/脱氢反应: 讨论了如何通过调控载体孔道结构和金属纳米颗粒的尺寸,来实现对氢气活化和C-C键、C-N键选择性加氢的精确控制。展示了在苛刻条件下,新型稳健结构材料的长期稳定性优势。 环境催化: 聚焦于VOCs的催化燃烧和汽车尾气净化。着重介绍了具有高热稳定性和抗中毒能力的复合氧化物结构,及其在宽温度范围内的催化活性表现。 第五章:表征技术的前沿进展与未来展望 成功的材料设计离不开先进的表征手段。本章系统介绍了近年来用于解析催化剂“实时”和“原位”结构与性能关联的关键技术。 在职(In-situ)/操作(Operando)谱学技术: 重点介绍了原位X射线吸收谱(XAS)、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)在反应气氛下实时监测活性位点状态变化的应用。 高分辨电子显微镜(HRTEM/STEM): 讨论了球差校正电镜如何实现对纳米颗粒尺寸、晶格缺陷以及单原子分散状态的亚埃级成像,以及如何结合EDX/EELS进行元素面分布和价态的精确分析。 结论与展望: 总结了当前新型结构材料研究面临的挑战,如规模化制备的成本控制、复杂流场下的传质限制等,并展望了人工智能(AI)和高通量筛选技术在加速下一代催化材料发现中的巨大潜力。 本书特点 本书结构严谨,理论深度与工程应用相结合,不仅适合催化化学、材料科学与工程专业的硕士和博士研究生,也为从事工业催化剂研发与工艺优化的工程师提供了重要的参考资料。全书注重对结构-活性-稳定性之间复杂耦合关系的深入剖析,避免了对现有成熟技术的简单罗列,而是致力于揭示材料设计中的深层次科学原理。

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我对沸石分子筛在“生物催化”和“生物医学”领域的潜在应用也充满了好奇。虽然书名侧重于“催化”,但现代材料科学的发展往往是跨学科的。我希望这本书能稍作延伸,探讨沸石分子筛是否可以用于生物相关的催化过程,例如酶模拟催化,或者作为药物载体、缓释系统等。沸石本身具有良好的生物相容性,而且其孔道结构可以用于包载和控制释放生物活性分子。书中是否会涉及这方面的前沿研究?例如,将沸石分子筛作为药物输送载体,如何实现药物的靶向释放?或者在生物传感器中,沸石分子筛如何发挥其识别和吸附能力?虽然这可能不是本书的核心内容,但任何关于沸石分子筛在更广泛领域应用的探讨,都会极大地拓展我的视野,让我看到这项技术更长远的发展前景,以及它可能为人类健康和生命科学带来的积极影响。

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这本书的封面设计就足够吸引人了,那种沉静的、略带科技感的视觉风格,瞬间就勾起了我对化学材料探索的兴趣。我一直对那些能够“吸附”和“分离”物质的材料充满好奇,而“沸石”这个词本身就带有一种神秘的魅力,仿佛能将看不见的分子世界变得具象化。加上“分子筛”这个更专业的术语,我知道这本书不仅仅是简单的科普,而是要深入到材料科学的核心领域。我迫不及待地想了解沸石究竟是如何拥有这种神奇的“筛子”功能的,它们独特的晶体结构是如何赋予它们如此精妙的分子识别能力?书中是否会通过精美的图示来展示这些复杂的微观结构?我特别关心的是,沸石分子筛在现代工业中有哪些实际的应用,比如在石油化工、环境保护、医药制造等领域,它们扮演着怎样的角色?我希望这本书能像一位经验丰富的向导,带领我穿梭于分子筛的奇妙世界,揭示它们从实验室走向工业应用的漫漫征程,以及其中蕴含的科学智慧和技术突破。我期望它能提供清晰易懂的解释,即使是对于我这样一个对化学理论并非科班出身的读者来说,也能领略到沸石分子筛的科学之美。

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这本书在“催化”领域的叙述,尤其是在“催化”与“分子筛”结合时所展现出的精妙之处,让我对材料科学的深度和广度有了全新的认识。我希望这本书能够不仅停留在理论层面,更能深入探讨实际的工业应用案例。例如,在石油化工领域,催化裂化是至关重要的工艺,沸石分子筛在这其中扮演着怎样的角色,如何通过调整沸石的结构和组成来优化产物的分布,提高汽油的辛烷值?在环保领域,沸石分子筛在汽车尾气净化、工业废气处理中的应用,例如去除挥发性有机化合物(VOCs)或催化还原氮氧化物(NOx),这些过程的机理是什么?书中是否会提供具体的工艺流程图和数据,展示沸石分子筛在这些复杂环境中的实际表现?我更希望能够了解到,科研人员是如何通过不断的研究和改进,将沸石分子筛从实验室的“明星”转化为工业生产中的“主力”,克服实际应用中遇到的各种挑战,例如催化剂的失活、寿命延长等问题。

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我特别关注这本书对沸石分子筛“改性”方面的论述,因为这直接关系到材料性能的优化和应用领域的拓展。我了解到,沸石本身具有一定的局限性,例如在某些反应中催化活性不高,或者对某些反应物/产物选择性不佳。通过各种改性手段,可以显著提升沸石的性能。书中是否会详细介绍几种主要的改性方法?例如,离子交换法,通过引入不同的金属离子来改变沸石的酸性位点或引入催化活性中心;硅铝比调控,改变沸石的亲疏水性和酸性强度;引入贵金属或过渡金属纳米颗粒,增强其在氧化还原反应中的催化活性;或者通过刻蚀、缺陷工程等手段来调控其孔道结构和表面性质。我希望能看到这些改性方法在具体应用中带来的性能提升案例,例如,某种改性沸石在某项催化反应中的效率提高了多少,或者分离精度提高了多少。这种“精雕细琢”的过程,正是科学进步的体现,也让我对材料的“可塑性”有了更深的理解。

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我对沸石分子筛在“分离”技术上的应用同样充满期待。除了催化,沸石的分子筛特性使其成为一种优异的分离材料。它们能够根据分子的尺寸、形状以及极性差异,实现高效的分离和提纯。书中是否会详细介绍沸石在气体分离(如空气分离制氧、制氮)、液相分离(如异构体分离、同位素分离)等方面的应用?我希望能了解不同孔径和表面化学性质的沸石如何被设计和选择,以满足特定的分离需求。例如,在吸附分离过程中,沸石是如何选择性地吸附目标分子的?吸附容量和吸附速率受哪些因素影响?书中是否会探讨一些先进的分离技术,例如变压吸附(PSA)或变温吸附(TSA),以及沸石分子筛在其中的关键作用?我非常好奇,这些看似微观的材料,是如何在宏观的分离过程中发挥如此重要的作用,实现高效、经济的分离过程,为工业生产带来显著的效益。

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这本书的名字中“催化”二字,无疑是点睛之笔,也是我最关注的部分。催化剂是现代化学工业的基石,而沸石分子筛凭借其独特的结构和可调的化学性质,在催化领域展现出巨大的潜力。我希望能在这本书中深入了解沸石分子筛是如何作为催化剂发挥作用的。它的作用机理是怎样的?是提供活性位点,还是通过限域效应来定向选择反应物或产物?书中是否会详细阐述不同沸石结构类型(如ZSM-5、Y型沸石等)在不同催化反应中的优势,以及如何通过改性(例如引入金属离子、改变Si/Al比、负载活性物种等)来优化其催化性能?我尤其关心沸石在一些重要的工业催化过程中的应用,例如石油炼制中的催化裂化、异构化,以及环保领域的催化燃烧、选择性催化还原NOx等。我希望能够读到一些具体的反应机理图示和实验数据,来佐证这些应用的可行性和高效性。理解沸石分子筛在催化领域的“能做什么”以及“为什么能做”,是我阅读这本书的核心目的之一。

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这本书在“理论计算”和“表征技术”方面的论述,对我理解沸石分子筛的“内在逻辑”至关重要。我很想知道,科学家们是如何从微观层面理解沸石分子筛的结构、性质和催化机理的。书中是否会介绍一些常用的理论计算方法,例如密度泛函理论(DFT)计算,用来模拟沸石的晶体结构、电子密度分布以及反应活性位点?这些理论计算如何帮助我们预测沸石的催化性能,或者指导新型沸石的理性设计?同时,我也希望了解用于表征沸石分子筛的各种实验技术。例如,X射线衍射(XRD)用来确定晶体结构,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)用来观察形貌和微观结构,氮气吸附-脱附等温线用来测定孔径分布和比表面积,红外光谱(IR)和核磁共振(NMR)用于分析表面酸性和结构单元。理解这些技术如何揭示沸石的“真相”,能让我更加信服书中所提出的科学观点。

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翻开这本书,首先映入眼帘的是对沸石形成机理的深入探讨。我一直对自然界中物质的形成过程感到着迷,而沸石作为一种天然存在的硅铝酸盐矿物,其生成过程本身就充满了化学的奥秘。书中是否会详细介绍沸石在地质环境中的形成条件,例如高温、高压以及特定化学成分的相互作用?我更感兴趣的是,人类是如何模拟这些自然条件,甚至通过人工合成的方式来制造出具有特定结构和性能的沸石分子筛的。合成方法往往是决定材料成本和可及性的关键,因此,我希望能从书中了解到各种合成路线的优缺点,例如水热法、溶胶-凝胶法等,以及如何通过调控合成参数来控制沸石的晶体尺寸、孔径大小和表面化学性质。这些微观层面的调控,直接关系到沸石在催化反应中的表现。我特别期待书中能够提供一些具体的案例,展示不同合成方法制备的沸石在特定催化反应中的性能差异,以及背后的科学原理。对我而言,理解“如何制造”比单纯的“是什么”更能激发我的求知欲。

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这本书在“未来展望”部分的论述,是我阅读过程中最期待的章节之一。我对沸石分子筛的潜力感到非常兴奋,并且渴望了解这项技术未来的发展方向。书中是否会探讨一些新兴的沸石分子筛材料,例如具有特殊功能化的沸石(如磁性沸石、荧光沸石),或者与其他材料复合形成的新型催化剂或吸附剂?我也非常想知道,在人工智能和大数据时代的背景下,如何利用这些工具来加速新型沸石分子筛的设计和筛选过程?是否会有关于沸石分子筛在更广泛的“绿色化学”和“可持续发展”领域中的应用前景的探讨?例如,如何利用沸石分子筛来减少工业生产过程中的污染物排放,实现资源的循环利用,或者开发更环保的化学合成路线?我希望这本书能够为我描绘一幅激动人心的未来蓝图,展示沸石分子筛这项古老而又年轻的材料,将如何在解决人类面临的能源、环境和健康等重大挑战中发挥越来越重要的作用。

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我尤其关注书中关于沸石分子筛在“能源”领域的应用,这与当前全球对可持续能源发展的关注息息相关。沸石分子筛在多项能源技术中都扮演着关键角色,例如在燃料电池中作为电解质或催化剂载体,在二氧化碳捕获与利用(CCUS)技术中作为吸附材料,或者在生物质转化制备生物燃料的过程中作为催化剂。我希望书中能够详细介绍沸石分子筛在这些能源技术中的具体应用机理和技术优势。例如,在CO2捕获方面,沸石分子筛如何实现对CO2的高选择性吸附?在生物质转化方面,它们如何促进复杂有机分子的分解和重组,从而高效地转化为有价值的燃料或化学品?我期待书中能够提供一些关于沸石分子筛在能源领域的研究进展和面临的挑战,以及未来的发展趋势,这对于我理解当前能源技术的瓶颈和突破方向非常有帮助。

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