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出版者:

作者:Swiegers, Gerhard

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2008-9

价格:846.00元

装帧:

isbn号码:9780470262023

丛书系列:

图书标签:

• 机械催化
• 催化剂
• 表面化学
• 材料科学
• 化学工程
• 反应动力学
• 纳米材料
• 摩擦诱导化学
• 催化反应
• 绿色化学

《无界之链：现代材料科学中的催化反应动力学》 一本深度剖析催化现象背后物理化学机制的权威著作 本书特色： 聚焦微观机理： 深入探讨从原子尺度到宏观反应速率的完整链条，揭示催化剂表面活性位点的结构敏感性与电子效应。 整合前沿技术： 详细阐述非原位（operando）光谱学、计算化学模拟（DFT/MD）在解析反应中间体和过渡态能垒中的应用。 涵盖多相与均相催化： 不仅涵盖传统的多相催化剂设计原则，还对酶模拟催化、有机小分子活化等均相体系的最新进展进行了系统梳理。 --- 第一章：催化理论的基石与热力学边界 本章奠定了理解催化过程的理论基础。我们从热力学角度审视了催化反应的本质——如何通过降低反应的吉布斯自由能垒（$Delta G^ddagger$）来实现加速，并区分了动力学控制与热力学限制的界限。详细讨论了Adsorption Isotherms（如Langmuir, Freundlich, Temkin模型）在描述反应物在催化剂表面的吸附平衡中的局限性与适用性。重点分析了反应活性的描述参数，如Turnover Frequency (TOF) 与Turnover Number (TON) 的精确测定方法，以及如何避免因催化剂失活或批次效应导致的误判。 第二章：表面科学与活性位点的表征 催化剂的性能直接取决于其表面结构。本章详尽介绍了用于表征催化剂表面物理化学性质的关键技术。 2.1 结构解析： 深入讨论了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）在识别纳米颗粒尺寸、晶面暴露以及缺陷位点方面的作用。X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES）被用于分析表面元素的价态和化学环境。 2.2 表面敏感探针： 重点介绍了几种关键的表面敏感技术，包括： 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：用于识别吸附物种和表面官能团的振动模式。 拉曼光谱：特别是在原位条件下对金属-载体相互作用（SMSI）的监测。 X射线吸收精细结构（XAFS，包括XANES和EXAFS）：提供关于活性金属中心配位数、键长和局部几何结构的定量信息，尤其适用于无序或非晶态催化材料。 第三章：动力学测量与反应速率分析 本章聚焦于如何精确测量和模拟催化反应的速率方程。讨论了反应器类型（如固定床、流化床、微通道反应器）的选择对数据采集和动力学解析的影响。 3.1 转化率与选择性的精细控制： 阐述了如何通过控制温度、压力、空速（WHSV或Gas Hourly Space Velocity, GHSV）来分离主反应和副反应，并确定关键的速率决定步骤（Rate-Determining Step, RDS）。 3.2 动力学模型的构建与验证： 详细介绍了基于Langmuir-Hinshelwood (LH) 和 Eley-Rideal (ER) 机理的复杂速率方程的推导过程。讨论了如何利用统计分析（如非线性拟合）来确定最佳的反应机理模型，并强调了在不同操作条件下模型适用性的边界。 第四章：密度泛函理论（DFT）在催化设计中的应用 计算化学已成为预测和指导催化剂研发的核心工具。本章系统介绍了如何利用DFT方法模拟催化循环的各个步骤。 4.1 能量学计算： 重点阐述了如何计算反应物在催化剂表面的吸附能、表面反应中间体的稳定性和活化能垒。讨论了溶剂效应模型（如PCM）在均相催化体系中的引入。 4.2 描述符与线性加速关系（LFERs）： 介绍了Sabatier原则的理论基础，即催化剂表面吸附能不能过强也不能过弱的“火山图”概念。详细解释了如何通过计算得到的电子结构参数（如d带中心、费米能级下的态密度）来构建描述符，预测宏观活性（如$Delta H_{ads}$与$log(TOF)$之间的关系）。 4.3 挑战与展望： 分析了DFT在处理高覆盖度表面、复杂多相界面以及长反应时间尺度上的局限性，并展望了机器学习与高通量计算在加速催化材料筛选中的潜力。 第五章：光催化与电催化机制的特殊考量 随着可持续能源需求的增长，非热力学驱动的催化过程研究日益重要。本章独立探讨了光子和电子直接参与的催化体系。 5.1 光催化剂的载流子动力学： 剖析了半导体光催化剂中光生电子-空穴对的产生、分离效率（分离时间常数）以及它们在催化界面处的转移过程。讨论了表面缺陷、载流子陷阱对量子效率的影响。 5.2 电化学催化界面： 详细分析了电极-电解质界面（Electric Double Layer, EDL）的结构对反应活性的调控。介绍了如何通过施加外部电势来主动调控反应中间体的吸附强度，实现对反应路径的“电化学调控”。重点案例包括析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的电荷转移机制。 第六章：催化剂失活、稳定性和寿命预测 催化剂的长期稳定性是工业应用的关键瓶颈。本章系统分类了失活机制并提出了应对策略。 6.1 失活模式解析： 烧结（Sintering）： 纳米颗粒在高温下的聚集机制（Ostwald熟化与颗粒迁移），及其对表面积和活性位点几何结构的影响。 中毒（Poisoning）： 分析了强吸附杂质（如硫、重金属）对活性位点的不可逆占据，并探讨了其在不同反应体系中的动力学模型。 积碳（Coking/Fouling）： 在烃类转化中，焦化产物的形成、沉积过程以及其对孔道结构和活性中心的封堵效应。 6.2 活性维持策略： 讨论了载体工程（如构建稳固的金属-载体界面）、掺杂改性以及催化剂的原位再生技术（如氧化脱焦、氢气还原）在延长催化剂寿命中的作用。 --- 《无界之链》是为高级本科生、研究生以及工业研发工程师量身定制的深度参考书。它摒弃了对单一催化剂体系的经验性描述，转而提供了一套跨越物理化学、材料科学和反应工程学的、系统性的、从机理到应用的分析框架。本书旨在培养读者运用多尺度、多尺度探针，解析复杂催化现象的能力。

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