反應機理與催化

多相催化(heterogeneous catalysis)

想象一座熱鬧的溜冰場。繞場滑行的人代表氣體分子;冰面是固體催化劑。當一個滑冰者在圍欄邊停下、抓住欄杆、被遞了點東西、然後改變了狀態再蹬冰離開,欄杆沒有離開場邊就完成了它的工作。多相催化正是這樣運作的:催化劑是一種固體,與反應物處於不同的物理狀態,而一切作用都發生在它的表面上。

更準確地說,多相催化是催化劑與反應物處於不同相的催化——幾乎總是固體催化劑配上氣態或液態的反應物。反應物分子黏附到固體表面(吸附),在被固定其上時鍵被削弱、發生重排,產物形成,最後再脫離(脫附),把這個位點騰出來給下一個分子。因為只有表面起作用,這類催化劑都被做成具有巨大表面積的形式——細粉、海綿狀物,或薄塗層。

為什麼重要:大多數大規模工業化學都靠這種方式運轉,從製造化肥用的氨、到裂解原油、到淨化汽車尾氣,因為固體催化劑容易與產物分開,並連續使用多年。誠實的提醒是:表面很脆弱:雜質會堵塞活性位點而使它「中毒」,催化劑也會緩慢損耗,所以真實的工廠會極其用心地保持進料的潔淨。

汽車的催化轉化器是一塊塗著鉑和銠的蜂窩。熾熱的尾氣流過金屬表面,有毒的一氧化碳和未燃盡的燃料黏附其上,與氧氣反應,再以二氧化碳和水的形式離開——而那固體金屬在轉化器內部留守,伴隨汽車一生。

氣體在固體金屬表面上反應;催化劑從不離開。

整個關鍵在於表面積,所以多相催化劑被刻意做成多孔的或細分的。與均相催化相對照,後者中催化劑與反應物處於同一相。

又稱
非均相催化非均相催化异相催化異相催化