9Май

Для чего нужен катализатор: Для чего нужен катализатор в автомобиле — Лайфхак

Содержание

Быстрая реакция: Зачем нужны катализаторы

Заслуги катализаторов перед экологией не сводятся к перечисленным выше. Существует целая группа химических ускорителей, отвечающих непосредственно за чистоту воздуха (их называют каталитическими нейтрализаторами). Их задача — связывать угарный газ, оксиды азота и серы, а также недогоревшие органические соединения различной природы. Весь этот букет присутствует в выхлопных газах автомобилей и дымах промышленных предприятий. Каталитические нейтрализаторы превращают эти яды в менее токсичные вещества типа H 2, умеренно вредный углекислый газ CO2 и уж совсем нейтральную воду.

Оксид ванадия под микроскопическим увеличением

Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор стал чрезвычайно удачным образцом химического инжиниринга и ставится сейчас практически в каждый автомобиль. На пористом керамическом монолите, покрытом тонким слоем платины и родия, проходят трансформацию три главных загрязнителя: CO, NO и несгоревшие углеводороды. Реакции выглядят так:

СО + О

2 = СО2

С

xHy + O2 = CO2

NO + CO = N

2 + CO2.

Доля кислорода в этих процессах должна регулироваться, потому что его избыток может пойти на полное окисление угарного газа, и, как следствие, оксиды азота останутся в составе выхлопных газов. Уровень кислорода контролируется лямбда-зондом, который подаёт корректирующие сигналы двигателю о составе топливно-воздушной смеси. Оптимальным является соотношение воздуха и топлива в пропорции 14,7:1.

Рабочий диапазон каталитического нейтрализатора лежит в пределах от 3500 до 6500°С, что создаёт трудности при холодном запуске двигателя.

Нейтрализатор

Автомобильные нейтрализаторы впервые внедрили в массовое производство в США в 1975 году. Это стало одной из мер по борьбе с удушающими смогами, которые накрывали мегаполисы с их избытком автомобилей.

Непрогретый катализатор не выполняет защитную функцию, и в воздух попадают все три токсичных отхода: СO, NO и С

xHy. Именно поэтому в некоторых странах (к примеру, скандинавских) запрещено прогревать мотор на холостых оборотах — только в движении. Так быстрее.

Промышленные выбросы, содержащие оксид серы SO 2, стали причиной кислотных дождей во второй половине XX века. И тогда химики придумали с помощью расплава V2O5 каталитически окислять оксид серы (IV) до оксида серы (VI), а затем до жидкой серной кислоты.

Экологические последствия кислотных дождей

Многие промышленные предприятия стали попутно серную кислоту производить! Бороться с NО x в дымовых трубах пришлось более сложными методами — добавляя восстановитель-аммиак и катализатор на основе оксидов титана и ванадия. Каталитическая реакция в полном виде:

4NH

3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O.

Каталитическая химия находится в зените славы — её достижения экономят гигантские ресурсы и помогают бережно относиться к природе. В то же время это одна из самых сложных и малоизученных областей химии, а значит, главные каталитические прорывы ещё впереди.

Для чего нужен катализатор и как он влияет на работу двигателя

Процесс сгорания топлива в цилиндрах автомобильного двигателя неизбежно приводит к образованию вредных веществ. Самые опасные из них:
• СО, окись углерода, ядовитый газ без цвета и запаха;
• СН, углеводороды, летучие органические соединения, главный компонент смога;
• NOx, оксиды азота NO и NO2, так же «участники» смога, кроме того, выпадающие еще и в составе кислотных дождей.
Задача каталитического нейтрализатора (чаще называемого катализатором) – путем химических реакций превращать эти вещества в другие продукты горения, практически безвредные:
• СО2, углекислый газ;
• N2, газобразный азот, из которого на 78% состоит атмосфера Земли;
• и h3O – водяной пар.
Разработан каталитический преобразователь был еще в далекие 70-е года, но массовое использование его началось с введением экологических стандартов – Euro 2 и выше. Сегодня катализатор – неотъемлемая часть выхлопной системы каждого автомобиля, без него невозможен не только выпуск с конвейера, но и эксплуатация.

СТРОЕНИЕ КАТАЛИЗАТОРА

Основная составляющая нейтрализатора – каталитический носитель: керамические или металлические соты, покрытые тонким слоем драгоценных металлов: палладия, родия или иридия, обладающих высокой химической активностью. Выхлопные газы, проходя через катализатор и касаясь напыления сот, входят с металлами в реакцию и химически связываются.
 Большинство современных катализаторов – трехкомпонентные, то есть, состоят из трех элементов, последовательно очищающих газы. Первый элемент связывает оксиды азота, второй – удаляет несгоревшие частички топлива и борется с окисью углерода, а в третьем расположен один из датчиков кислорода, анализирующий состав газов на выходе из нейтрализатора 

и передающий данные в ЭБУ – блок управления двигателем. Кроме этого кислородного датчика, называемого диагностическим, в системе еще предусмотрен управляющий датчик (лямбда-зонд), установленный до катализатора. 

        
Большинство современных катализаторов – трехкомпонентные, то есть, состоят из трех элементов, последовательно очищающих газы. Первый элемент связывает оксиды азота, второй – удаляет несгоревшие частички топлива и борется с окисью углерода, а в третьем расположен один из датчиков кислорода, анализирующий состав газов на выходе из нейтрализатора и передающий данные в ЭБУ – блок управления двигателем. Кроме этого кислородного датчика, называемого диагностическим, в системе еще предусмотрен управляющий датчик (лямбда-зонд), установленный до катализатора.
Каталитический нейтрализатор чаще всего представляет собой бочонок овальной (приплюснутой) формы, внедренный в выхлопную систему автомобиля. Если первые катализаторы монтировались под передней частью днища, примерно посередине между выпускным коллектором и первым глушителем (резонатором), то на машинах, отвечающих нормам токсичности Евро-4 и Евро-5 они располагаются уже намного ближе – крепятся к головке блока цилиндров.
Несмотря на то, что такой метод существенно затрудняет компоновку моторного отсека, он повышает эффективность очищения, поскольку каталитические реакции возможны в основном только при температуре свыше 300°C, и, чем ближе нейтрализатор расположен к двигателю, тем быстрее он прогреется и приступит к работе. А вот без катализатора полное преобразование СО и СН возможно лишь при 700-850°С, да и то, если есть в избытке кислорода, а нейтрализация NOx невозможна в принципе.


НЕИСПРАВНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА

Хотя обычно производители автомобилей не предусматривают регламента по замене катализатора, то есть, по умолчанию предполагают, что он рассчитан на весь период эксплуатации автомобиля, средний срок службы этих деталей – 100-150 тысяч км пробега. При этом катализаторы с керамическими сотами чаще всего выходят из строя раньше металлических.

Основные неисправности можно поделить на три группы:

1. Оплавление. Соты катколлектора спекаются, затрудняя проход выхлопных газов. Происходит при экстремальном повышении температуры газов, выше 900°С. Несмотря на то, что поначалу спекание охватывает не весь внутренний диаметр, проходимость катализатора снижается, что приводит к повышению в нем температуры и повреждению других сот по «принципу домино».
2. Разрушение керамики. Хрупкие керамические соты имеют свойство крошится, что чревато не только повреждением катализатора, но и попаданием осколков в рабочую камеру, что может привести к повреждению других узлов: например, турбины или даже поршневой группы, и, как следствие, к капремонту или замене двигателя. Особенно актуально, когда нейтрализатор установлен прямо на ГБЦ.
3. Засорение. Катализатор забивается продуктами неполного сгорания топлива и, в отдельных случаях, масла, что приводит к его непроходимости.
Понять, что нейтрализатор нуждается в замене, можно по таким признакам, как:
• снижение мощности двигателя;
• невозможность поднять обороты до отсечки даже без нагрузки;
• слишком ровный и слабый выхлоп;
• проблемы с пуском двигателя, как холодного, так и горячего;
• увеличение расхода топлива;
• грохот под днищем;
• неприятный запах из системы выпуска (сероводород, «тухлые яйца»).
Во всех этих случаях необходима незамедлительная замена каталитического нейтрализатора во избежание проблем с другими узлами двигателя.

ПРИЧИНЫ ВЫХОДА КАТАЛИЗАТОРА ИЗ СТРОЯ

К неисправностям каталитического нейтрализатора могут привести несколько факторов, вот основные из них:

1. Некачественное топливо. Чаще – бензин с низким октановым числом. ЭБУ в этом случае переводит двигатель на позднее зажигание, что вызывает догорание смеси на выпуске и повышение температуры выхлопных газов.
2. Пропуски зажигания. Недогоревшее топливо сгорает в нейтрализаторе.
3. Неправильный состав смеси. Эффект тот же, что и в предыдущем случае, но вызван он неисправностями датчиков или форсунок.
4. Механическое повреждение катализатора. Керамические соты не любят повышенных вибраций и ударов по корпусу нейтрализатора.
5. Термоудары. Резкое охлаждение катализатора водой из лужи или другой водной преграды может вызвать трещины на его корпусе.
6. Добавление присадок в топливо. Нежелательные присадки в бензин могут повысить температуру его сгорания.
7. Газ. Температура сгорания газа и его октановое число выше, что приводит к тому, что частично газ может догорать в катализаторе.
8. Конструкция двигателя. Как ни странно, иногда создатели конструктивно создают условия, способствующие быстрому разрушению катализатора – например, новые конструкции двигателей с минимальной токсичностью запрограммированы на быстрый прогрев. В холода ЭБУ переобогащает смесь, что приводит к ее догоранию в нейтрализаторе.

Чтобы избежать проблем с катализатором, необходимо следовать некоторым несложным рекомендациям:
• не крутить двигатель долгое время стартером, чтобы не перелить топливо;
• не запускать двигатель «с толкача»;
• не проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.

Кроме того, следует помнить, что катализатор во время работы нагревается до очень больших температур, что может быть чревато возгоранием, и не заезжать для парковки на сухую траву, на деревянные помосты и в прочие подобные места.


ВАРИАНТЫ РЕМОНТА И ЗАМЕНЫ

Оригинальный каталитический нейтрализатор – довольно недешевый узел из-за применения в нем дорогостоящих материалов. Поэтому при выходе его из строя некоторые владельцы автомобилей рассматривают альтернативные варианты ремонта, вплоть до удаления катализатора из выхлопной системы. Наиболее распространенные варианты:
1. Выбивание сот. Система выпуска разбирается таким образом, чтобы иметь доступ к внутренностям катализатора, после чего керамические соты выколачиваются длинным металлическим предметом (например, ломиком), а их остатки удаляются. Недостатками такого ремонта являются ошибки check engine, которые устраняются перепрошивкой ЭБУ или установкой «обманок»: механических, закрывающих кислородные датчики, или электронных, посылающих в блок «правильные» импульсы. Кроме того, неизбежно снижается экологический класс автомобиля, что может вызвать проблемы с прохождением техосмотра. Нередки случаи повышения громкости выхлопа до дискомфортного уровня, а также локальных перегревов в районе катализатора.
2. Установка пламегасителя. Неисправный катализатор удаляется, а на его место устанавливается деталь, похожая на еще один резонатор. Пламегаситель (он же «стронгер»), как правило, представляет собой цилиндр с двухслойным корпусом и сложной (чаще Х-образной) внутренней структурой. Стронгер также, как и штатный катализатор, уменьшает шум от работы двигателя, замедляет и частично охлаждает выхлопные газы, но не нейтрализует их. Поэтому установка пламегасителя влечет за собой ровно те же проблемы с экологией и электроникой, что и в предыдущем случае.
3. Универсальный катализатор. Из всех способов сэкономить при замене «каталика», установка неоригинальной детали единственная не переходит «границ добра и зла» и, в принципе, рекомендуется к использованию. В этом случае нет необходимости вмешиваться в программное обеспечение двигателя, да и с экологическими нормами чаще всего проблем не возникает. Главный минус эрзац-катализаторов – их низкий, по сравнению с оригиналом ресурс, редко достигающий показателей более 60 000 – 80 000 км.
Самостоятельно провести работы по замене каталитического нейтрализатора – как на оригинальную деталь, так и на альтернативные варианты – довольно сложно, а вмешательство в прошивку ЭБУ без достаточного опыта и квалификации и вовсе не рекомендуется. Поэтому в случаях проблем с катализатором, как и с другими системами автомобиля, обращайтесь к профессионалам – например, на любую из СТО сети умных автосервисов Wilgood.

стоит ли удалять, возможные неисправности катализатора, можно ли ездить без него

Эдуард Солодин

разбирался в катализаторах

Профиль автора

Я ехал по трассе, и у машины пропала тяга. Хорошо, что это не случилось при обгоне.

Я добрался до ближайшего автосервиса и удалил катализатор. Потом заплатил за работу и оставил все, что от этого катализатора осталось, ребятам из автосервиса. Тогда я еще не знал, что эта деталь содержит драгоценные металлы и за все, что от него осталось, дают хорошие деньги. В следующий раз буду умнее: проезжу на машине до 100 000 км, потом удалю, а катализатор оставлю себе или расплачусь им за работу.

Из-за таких историй некоторые автовладельцы считают катализатор бомбой замедленного действия и спешат поскорее его удалить. В некоторых автосервисах этому рады и советуют удалять катализаторы даже на новых машинах. Они утверждают, что это лишняя деталь, которую навязывают автопроизводителям экологи, и что автомобиль после этого будет ехать бодрее, а расход топлива уменьшится.

Я попытался разобраться, насколько катализатор лишняя деталь в автомобиле и можно ли его удалять. Из этой статьи вы узнаете, как работает катализатор, какие типы катализаторов бывают, из-за чего они выходят из строя и какие есть признаки неисправного катализатора.

Катализатор расположен в выхлопной системе автомобиля, ближе к выпускному коллектору двигателя, и нужен для очистки отработавших газов от вредных выбросов. Источник: Setta Sornnoi / Shutterstock

Что такое катализатор и зачем он нужен

Двигатель внутреннего сгорания работает на воздушно-топливной смеси. Она сгорает с образованием токсичных выхлопных газов, а на бензиновых двигателях какая-то часть смеси может вообще не сгореть и улететь в выхлопную трубу. Чтобы хоть как-то снизить концентрацию вредных веществ в выхлопных газах, на их пути ставят каталитический нейтрализатор отработавших газов: катализатор, если по-простому. Выхлопные газы идут через него, как через фильтр.

Технически это огнеупорный керамический или металлический цилиндр с сотами, через которые проходят отработавшие газы, в составе которых есть вредные вещества: углеводород, оксид азота, окись углерода. На стенках этих сот есть микрослой веществ-катализаторов: это может быть платина, палладий или родий. Они ускоряют химические процессы, и выхлопные газы после окислительно-восстановительных реакций с этими металлами становятся менее токсичными.

Соты исправного керамического катализатора. Источник: Anton Tolmachov / Shutterstock

В основном катализаторы ставят в выхлопной системе автомобилей с бензиновыми двигателями. Их может быть несколько: например, если из двигателя идет две отдельные выхлопные трубы, ставят по одному на каждую. Бывает, что катализаторы ставят последовательно на одной выхлопной трубе.

Для очистки выхлопных газов дизельного двигателя чаще всего применяют сажевые фильтры. Конструкция примерно такая же, только ячейки фильтра закрыты с одной из сторон. Выхлопные газы находят выход через пористые стенки каналов, на которых оседает сажа. Такие фильтры периодически требуют очистки. Для этого внутри фильтра повышается температура, и частицы сажи догорают. Этот процесс называют активной регенерацией.

Еще катализатор снижает температуру газов. Например, на входе в катализатор температура газов около +390 °C, а на выходе — уже +260 °C. Примерно в таком температурном режиме и проходят химические реакции, поэтому какое-то время после запуска двигателя катализатор не работает.

НОВЫЙ КУРС

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Разбираемся, как начать и закончить ремонт без переплат: от проекта до приемки

Покажите!

Работает катализатор или нет, определяет второй кислородный датчик, он же лямбда-зонд. Его ставят после катализатора, и его задача — определять уровень токсичности выбросов. Если его просто удалить, датчик зафиксирует низкую эффективность катализатора, и на приборной панели появляется ошибка Check engine.

Существуют различные экологические классы для вредных выбросов автомобиля: Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5 и Евро-6. В России для новых автомобилей с 2016 года действует стандарт Евро-5. Узнать экологический класс своего авто можно в паспорте транспортного средства. По опыту работников автосервиса, чем выше экологический класс автомобиля, тем меньше ресурс катализатора. Стенки керамических сот у таких катализаторов тоньше, ячейки расположены плотнее, чтобы работать эффективнее.

Экологический класс указан в 13-м пункте паспорта транспортного средства

Виды катализаторов и их заменители

Оригинальный катализатор устанавливает завод-изготовитель. Такой может стоить до 5% от стоимости всего автомобиля. В России мало предприятий по производству катализаторов. В основном их делают за границей, их стоимость зависит от госпошлины, курса доллара и курса драгметаллов. Заменить катализатор на оригинальный стоит от 25 000 Р.

Обычно такую замену делают на гарантийных машинах, если по каким-то причинам он вышел из строя или его украли. Срок службы оригинального катализатора обычно не меньше гарантийного срока автомобиля.

Цена на новый оригинальный катализатор для Хендай Солярис 1,6 л 2017 года — от 58 000 Р

Универсальный катализатор заменяет оригинальный почти для любого автомобиля. Он стоит дешевле оригинального, и срок его службы меньше. В теории он должен прослужить примерно 60 000 км. Цены на универсальный катализатор — от 5000 Р. В ячейках таких катализаторов вместо платины, палладия и родия применяют, например, золото. Оно хуже ускоряет каталитические реакции, поэтому хуже очищает выхлопные газы от вредных веществ.

При выборе универсального катализатора важно правильно определить его объем, который не должен быть меньше оригинального. Корпус катализатора не всегда круглой формы, у него разная длина и ширина. Отработавший катализатор вырезают из корпуса болгаркой, а новый вваривают на его место. Лучше, чтобы эти работы проводил опытный сварщик, который сделает качественный сварной шов.

Установка универсального катализатора — это компромисс для тех, кто не хочет или не может купить оригинальный катализатор, но заботится об экологии или хотя бы хочет пройти техосмотр.

Универсальный металлический катализатор Евро-5. Устанавливается на место старого катализатора

Пламегаситель в английских руководствах по ремонту выхлопных систем — это «предварительный глушитель». Он смешивает потоки отработавших газов из разных цилиндров, снижает их температуру, а также сводит уровень шума и вибрацию до приемлемого уровня. Его устанавливают вместо катализатора, но он никак не влияет на токсичность отработавших газов.

Если не установить пламегаситель после удаления катализатора, то выхлопная система со временем прогорит из-за высокой температуры отработавших газов. Простой пламегаситель — это труба с перфорацией для газов в стальном корпусе. Цены на пламегасители начинаются от 760 Р.

Между корпусом и трубой пламегасителя проложен огнеупорный наполнитель. Обычно это базальт, синтетическое волокно или минеральная вата. Корпус пламегасителей может быть однослойным или двухслойным. Двухслойные также называют реактивными. Они более долговечны и хорошо гасят колебания звуковой волны. Внутренний слой должен выдерживать воздействие высоких температур, а внешний — коррозии.

Для каждого автомобиля нужно рассчитать оптимальный объем пламегасителя. Если объема пламегасителя будет недостаточно, то звук на выходе будет неприятным, дребезжащим. Те элементы глушителя, которые находятся после пламегасителя, подвергаются повышенному износу и быстрее выходят из строя.

По сравнению со стоимостью оригинального катализатора установить пламегаситель дешевле — от 3500 Р. Его установка предполагает перепрошивку блока управления двигателем (ЭБУ) или установку специальной «обманки» для электронного блока управления. Подробнее про них мы напишем чуть ниже.

Внутри пламегасителя труба с перфорацией и огнеупорный наполнитель. Источник: CameraMan32 / Shutterstock

Можно ли удалить катализатор

Катализатор по умолчанию рассчитан на весь срок службы автомобиля. Но качество топлива и тяжелые условия эксплуатации разрушают его значительно раньше: например, при пробеге 100 000 км.

Нет универсального или регламентированного срока удаления катализатора — каждый случай индивидуален. Неисправный катализатор доставляет множество проблем: от назойливой лампочки Check engine до попадания керамической пыли в цилиндры двигателя. Поэтому у большинства автомобилей старше десяти лет катализатор уже удален.

Есть такие выхлопные системы, при которых катализатор расположен очень близко к двигателю. В случае когда он начинает разрушаться, дисперсионная пыль от него летит в сторону двигателя. Она очень мелкая и твердая, ее можно сравнить с мелким песком. Она царапает цилиндры двигателя при работе поршней. Из-за этих царапин двигатель начинает потреблять масло или его расход увеличивается — это в случае, если двигатель потребляет его с первых дней эксплуатации автомобиля.

Рано или поздно это приводит к капитальному ремонту двигателя. Некоторые автовладельцы хотят избежать таких неприятных последствий и удаляют катализатор еще до того, как он начнет разрушаться.

Замена катализатора на новый — дорогостоящая процедура: один катализатор может стоить 100 000 Р, а теперь представьте, что их в машине два и оба износились примерно одинаково. Поэтому вместо нового катализатора в выхлопную систему чаще всего устанавливают пламегаситель с «обманкой» или, что гораздо реже, — универсальный катализатор.

Внутри обманки небольшой кусочек катализатора. Ее ставят на второй лямбда-зонд, а часть обманки с сеткой вкручивают в выхлопную систему после пламегасителя. Благодаря устройству ЭБУ автомобиля думает, что отработавшие газы в порядке, катализатор на месте, и Check engine на приборной панели не загорается. Тем не менее обманка не гарантирует, что ошибка не появится: лампочка может загореться после заправки не самым хорошим бензином или после резкого разгона

Обманка для второго лямбда-зонда

Можно обойтись без обманки. Для этого нужно перепрошить электронный блок управления и настроить его так, чтобы лямбда-зонд воспринимал новые «вредные» показания датчиков как норму. В объявлениях эту процедуру называют перепрошивкой под Евро-2 и обещают, что машина будет ехать бодрее, двигатель будет выдавать на 20—30 лошадиных сил больше.

Вместе с этим любое вмешательство в оригинальное программное обеспечение ЭБУ — риск, поэтому перепрошивку должен делать квалифицированный специалист с проверенной программой. Выхлопные газы автомобиля при установке пламегасителя фактически не очищаются, но ошибка Check engine на приборной панели из-за перепрошивки не появится. Очень важно помнить, что несмотря на это двигатель, скорее всего, проектировали под более высокий экологический класс, а значит, с настройками под Евро-2 он проработает гораздо меньше, чем мог бы.

Установка обманок, пламегасителей вместо нового оригинального катализатора может привести к неожиданным последствиям: ошибкам двигателя, неприятному запаху выхлопных газов или излишнему расходу топлива и масла.

Из-за того что количество вредных выбросов при таком ремонте не соответствует заявленным нормам, автомобиль может не пройти техосмотр. По российскому законодательству катализатор — компонент транспортного средства, поэтому автовладелец удаляет его на свой страх и риск. Если по каким-то причинам нужно заменить оригинальный катализатор, то установка универсального — оптимальное решение.

Не советую удалять катализатор на гарантийных автомобилях на пробеге до 100 000 км без необходимости. Двигатель автомобиля, скорее всего, снимут с гарантии из-за вмешательства в выхлопную систему. На гарантийных авто проблема с катализаторами возникает редко, менее 1% случаев от общего объема продаж.

Диагностическое оборудование расшифровало ошибку Check engine на приборной панели. Проблема в катализаторе

Почему катализаторы воруют

От краж катализатора часто страдают автомобили каршеринга и такси. Но были случаи, когда оригинальный катализатор вырезали на улице, когда автомобиль припаркован на ночь во дворе. Достаточно поднять машину домкратом и вырезать часть глушителя болгаркой.

В автомобилях с высоким клиренсом можно добраться до катализатора даже без домкрата. Кража катализатора занимает около минуты. Но если сигнализация оборудована датчиком наклона, то она сообщит, что автомобиль пытаются приподнять.

Таким варварским способом крадут катализаторы: просто вырезают его болгаркой. Источник: Константин Гахов / «Вконтакте»

Катализатор также могут вырезать в недобросовестном автосервисе. Владельцу предлагают «прочистить» выхлопную систему или удалить исправный катализатор, чтобы в будущем он не доставил проблем. Работники таких автосервисов еще рассказывают о преимуществах удаления катализатора: обещают, что мощность двигателя возрастает, а расход топлива снизится — ЭБУ шьют под Евро-2. Если оценить реальное увеличение мощности на специальном оборудовании, прирост будет незначительным — всего 3% от первоначальных показателей.

Обычно за удаление катализатора, установку пламегасителя, обманки или перепрошивки электронного блока управления автосервисы не берут никакой оплаты, а просто оставляют отработавший катализатор себе.

Но немало и тех, кто просто забирает молча, без всяких скидок и выплат, как лом черного металла. А потом сдают его, ведь оригинальный катализатор содержит драгоценные металлы, которые стоят дороже золота.

В среднем драгметаллы — это 0,08—0,17% от общей массы катализатора. Со временем он вырабатывает свой ресурс и драгметаллов становится меньше. Точное количество платины, палладия и родия в конкретном катализаторе определяют анализатором драгоценных металлов.

Если просят заплатить за удаление катализатора, установку пламегасителя, то катализатор рекомендую оставить себе. Ценность представляет не только целый катализатор, но и разрушенный, его лом, крошка и даже пыль. За изношенный катализатор современного автомобиля стандарта Евро-5 можно получить от 5000 Р. Чем мощнее двигатель авто, чем больше он расходует топлива, тем лучше, а значит, дороже его катализатор.

Цена платины, палладия и родия за грамм в рублях. Эти металлы, скорее всего, есть в оригинальном катализаторе автомобиля с бензиновым двигателем

Из-за чего катализатор выходит из строя

Износ напыления из драгоценных металлов. Драгоценные металлы на стенках ячеек катализатора выгорают — это естественный процесс. Поэтому при приеме катализатора на переработку проводят его химический анализ. Может оказаться так, что в катализаторе совсем не осталось драгметаллов. Когда это происходит, выхлопные газы перестают очищаться, кислородные датчики это фиксируют, и на панели приборов возникает ошибка.

Некачественное топливо. Иногда, чтобы увеличить октановое число топлива, недобросовестные владельцы заправок добавляют в него присадки, которые содержат свинец. Это увеличивает нагрузку на катализатор, соты забиваются продуктами горения топлива, и он раньше выходит из строя. Для дизельных двигателей повышенный износ сажевого фильтра происходит зимой, когда в топливо добавляют антигель.

Неисправности зажигания. Если свечи дают искру с перебоями, то несгоревшие остатки топливно-воздушной смеси сгорают в катализаторе, что уменьшает срок его службы. Соты катализатора при этом оплавляются, и его пропускная способность уменьшается.

Неисправности двигателя. Если в цилиндрах двигателя есть царапины или задиры, то смесь, которая получается при работе двигателя внутреннего сгорания, перестает быть двухкомпонентной — то есть теперь состоит не только из воздуха и топлива. В ней есть еще и моторное масло. Это неизбежно засоряет катализатор, и он вскоре выходит из строя. Часто в проблемах с двигателем обвиняют разрушившийся катализатор. Но в этом случае скорее двигатель провоцирует проблемы с катализатором.

Неисправный катализатор может оплавиться, разрушиться, у него могут забиться соты. Источник: LuYago / Shutterstock

Как обнаружить проблему

Катализатор редко разрушается внезапно, в один момент. Обычно этому предшествуют типичные симптомы работы двигателя, выхлопной системы и посторонние звуки. Если внимательно анализировать все изменения, можно вовремя вмешаться и исправить ситуацию.

Лампочка «чек энджин» на панели приборов загорается по разным причинам. Если считать код специальным сканером, то он покажет, где конкретно возникла проблема. Ошибка воздушных датчиков катализатора говорит о том, что с катализатором что-то не так.

Снижение мощности двигателя. По ощущениям за рулем это похоже на прицеп или машину на буксире. Автомобиль трогается с места, ускоряется, но ему как будто что-то мешает — ускорение недостаточно энергичное. Иногда двигатель машины при этом вибрирует, а сама машина дергается.

Посторонние звуки под днищем. Если катализатор уже начал разрушаться, то его частички при высоких оборотах двигателя или при запуске бьются о корпус выхлопной системы. При этом водитель слышит посторонние звуки под днищем автомобиля. Они похожи на звенящий звук в пустой металлической банке.

Нестабильный напор газов из глушителя. Для такой проверки нужно поднести руку к выхлопной трубе и почувствовать такт выхода газов. При нормальной работе газы выходят через равные промежутки времени, похожие на биение сердца. Если поток газов ровный и слабый, значит, катализатор, скорее всего, неисправен.

Запах выхлопных газов. Если катализатор не очищает выхлопные газы от токсичных выбросов, то это можно почувствовать без специальных замеров уровня углекислого газа. Рядом с машиной, особенно в момент ее прогрева, будет неприятно пахнуть продуктами сгорания топливно-воздушной смеси. Иногда запах проникает в салон автомобиля, когда двигатель работает на холостых оборотах.

Задиры на цилиндрах. Если катализатор уже начал разрушаться и его частицы попали в камеру сгорания топливно-воздушной смеси, то на цилиндрах образуются задиры и царапины. Проверку их состояния можно провести в автосервисе специальным устройством — эндоскопом. Если с цилиндрами все в порядке и нет других признаков, то удалять катализатор не нужно.

Проверка эндоскопом. Можно запустить эндоскоп через отверстие для первого лямбда-зонда. Керамические соты должны быть правильной формы, без вмятин, не оплавлены, не разрушены и не забиты. Мы уже разобрались, что второй кислородный датчик стоит после катализатора, а значит, смотреть там не на что: велика вероятность, что на выходе соты будут в полном порядке.

Диагностика датчиков. С помощью автосканера, например ELM 327, можно подключиться к электронному блоку управления автомобилем. В приложениях для смартфона нужно выбрать показания кислородных датчиков катализатора и сравнить их фактические значения с эталонными.

Проверять датчики нужно на прогретом, работающем на холостых оборотах двигателе. Отклонения от нормы будут означать, что катализатор неисправен. Хотя бывает и так, что дело во втором кислородном датчике — они со временем прогорают и перестают работать, так что нелишним будет совместить этот способ с проверкой эндоскопом.

Проверка катализатора эндоскопом показывает, что разрушений сот нет Скриншот приложения для сканера ELM 327. Проверил кислородные датчики своей машины — Хендай Креты. Как читать эти графики — узнал из ролика на «Ютубе». Верхний график отражает показания кислородного датчика до катализатора, а нижний — после него

Запомнить

  1. Катализатор — это важная деталь выхлопной системы, которая очищает отработавшие газы от вредных выбросов.
  2. При неисправном катализаторе двигатель теряет мощность, в выхлопной системе появляются посторонние звуки, а отработавшие газы неприятно пахнут.
  3. Катализатор выходит из строя раньше срока из-за некачественного топлива, неисправностей зажигания и двигателя.
  4. Обнаружить проблему поможет диагностика ЭБУ автосканером или визуальная проверка цилиндров и катализатора эндоскопом.
  5. Оригинальный катализатор содержит драгоценные металлы, поэтому он такой дорогой.
  6. Если нужно заменить отработавший оригинальный катализатор, есть смысл поставить универсальный.
  7. Установка пламегасителей, обманок и перепрошивка ЭБУ может привести к проблемам с двигателем.
  8. Не стоит удалять катализатор без необходимости на гарантийных автомобилях.
  9. За работу по удалению катализатора можно расплатиться старым катализатором. Платить за работу и оставлять катализатор в сервисе как лом — все равно что дарить деньги.
  10. Недобросовестные автосервисы предлагают удалить катализатор, чтобы сдать его и заработать.

зачем нужен и почему ценится?

Катализатор, он же каталитический нейтрализатор — это специализированная запчасть, предназначенная для очистки выхлопных газов. Катализатор содержит драгметаллы, поэтому ценен даже после окончания срока эксплуатации.

Представляет собой носитель, изготовленный из керамики или металлической фольги с мелкоячеистой структурой. На внутренней поверхности ячеек напылен тонкий каталитический слой, содержащий драгоценные металлы. Мельчайшие частицы платины, палладия, родия взаимодействуют с раскаленными газами, поступающими из двигателя. В этот момент происходит окисление ядовитых веществ до безопасных для окружающей среды показателей.

Несгоревшие остатки окиси углерода (СО), углеводорода (СН) задерживаются на поверхности каталитического слоя и остокисляются кислородом. Итогом реакции является выделение углекислого газа (CO2).

Управляет работой выпускной системы кислородный датчик, который определяет соотношение воздуха и бензина в горючей смеси.

В автомобиле может быть как один катализатор, так и несколько. Находятся они в выпускной системе, между двигателем и глушителем, и обычно защищены дополнительным теплоотражающим экраном.

Катализаторами оснащаются все современные автомобили, как отечественного, так и зарубежного производства. Это «расходник», который со временем выходит из строя и нуждается в замене.

Что делать с использованным катализатором?

Сдать его в переработку. ООО «Скупка Катализаторов» принимает отработавшие свой срок детали у физических и юридических лиц. Компания предлагает оптимальные условия для долгосрочного взаимовыгодного сотрудничества.

Катализаторы могут быть в любом состоянии: целыми, колотыми, а также молотыми. При приеме производится предварительная оценка стоимости. Финальная стоимость зависит от результата спектрального анализа (РФА), который проводится при помощи портативного спектрального анализатора, и текущих котировок LME.

Сдать катализатор вы можете лично (тогда деньги за него вы получите сразу после проведения анализа) или отправить почтой/транспортной компанией (в этом случае оплата осуществляется после получения посылки в день проведения анализа переводом: банковским или на электронный кошелек).

Связаться с менеджерами для сдачи катализаторов можно по тел. +7(495) 266-67-37, +7(925) 468-22-21 или заказать обратный звонок, заполнив форму на сайте.

Зачем и для чего нужен катализатор в автомобиле (в машине)? AILIT

Что такое катализатор и для чего он предназначен в машине, не всегда понимают начинающие автомобилисты. Попробуем разобраться детальнее. В первую очередь, эта часть конструкции призвана нейтрализовать токсичное влияние вредных соединений в выхлопных газах, что являются продуктом сгорания во время движения машины.

Зачем в автомобиле каталитический нейтрализатор?

Катализатор изнашивается со временем после частых перегревов, как правило, срок его службы составляет несколько лет, а вернее 100-150 тыс/км пробега. Рабочий ресурс сильно сокращается при физических повреждениях или, когда происходит оплавление и спекание при применении топлива с посторонними примесями или банально при неисправности системы зажигания. Меняя эту деталь, Вы позаботитесь об окружающей среде и о своем спокойствии. Не будет выдавать сбой автомобильный датчик кислорода в программе управления двигателем, что часто встречается. Хотя многие умельцы советуют просто перепрошить электронику, нужно учитывать, что угарный газ и азот очень опасны и лучше позаботиться и о своем здоровье, и об отменной динамике машины без разных хитростей. Не зря же, еще с 1970-х годов зарубежные производители были обязаны дополнить автомобили нейтрализаторами. Тем более конструкцию катализатора составляют соты с покрытием драгметаллами платиновой группы, а значит после замены детали в авто ее можно не просто сдать в качестве лома, но и вернуть частично стоимость новой.

Обязательно ли ставить новый катализатор в машине после удаления подержанного?

Чисто технически — нет. В топе «полезных» советов: обхитрить электронику, удалить «банку», вварив трубы, или перевести своего коня под стандарты Евро2. Так какие последствия и так ли нужен катализатор?

Современные автомобили выпускаются с «умными» программами управления двигателем. Считывание данных датчиков по количеству кислорода в продуктах сгорания является основой решения, какой объем топлива подавать в цилиндры через форсунки. Без катализатора системы начинают давать сбой, включается аварийный режим, снижается тяга и готовится усредненная смесь, что резко снижает характеристики мотора. Неполное сгорание смеси в цилиндрах приводит к выпадению смол, закоксовыванию и другим вредным явлениям, постепенно разрушающим силу Вашего агрегата.

Если Вы решили заменить эту деталь, б/у запчасть можно сдать в пунктах приема катализаторов Ailit. Мы готовы предложить самую высокую цену после проведения анализа на наличие драгметаллов. Обращайтесь.

Принцип работы автомобильного катализатора, для чего нужен

Из курса химии известно о существовании веществ, ускоряющих или вызывающих процесс химической реакции, при этом не участвующие в составе веществ этой реакции. Медь, никель, золото, палладий, родий, хром – это еще не самый полный перечень веществ, ускоряющих процесс химической реакции, но именно они применяются при производстве катализаторов для автомобилей. Катализаторы автомобильные основаны на способности веществ-катализаторов к ускорению реакции горения бензина, который поступает из цилиндров двигателя из-за неполной его реализации.

Принцип работы катализатора и схема устройства

Работа автомобильного катализатора основана на применении веществ, ускоряющих горение нереализованного топлива в цилиндрах, тем самым, снижая до минимума выделение вредных веществ в атмосферу.

Огромное количество машин использует двигатель внутреннего сгорания, выхлоп которых представляет токсичные газы: оксид азота, монооксид углерода и несгорающие компоненты топлива. В целях сохранения экологически чистого воздуха в окружающей среде ученые разработали устройство, способное за 0,1 секунды выделить в токсичном газе вредные вещества и нейтрализовать их, не создавая при этом разрушительных воздействий двигателю. Катализатор (или каталитический конвертор, или нейтрализатор) переработав токсичные газы выделяет пары воды и кислород, углекислый газ.

Чтобы понять, как работает катализатор, необходимо увидеть его структуру внутри корпуса. Если разрезать верхнюю часть корпуса катализатора, то под нержавеющей крышкой конструкция представит собой два керамических блока, каждая из которых состоит из большого количества каналов (от 1000 до 3000).

С торцов блоки покрыты драгоценным металлом. Платина и родий на первом блоке, платина и палладий на втором, при этом первый является восстанавливающим, уменьшающим выбросы оксида азота, а второй окислительный. Окислительный катализатор (блок) уменьшает количество несгоревшего топлива и окиси углерода. Процесс происходит при высоких температурах, достигающих 750 градусов по шкале Цельсия.

Совместное использование драгметаллов обеспечивают реагирование с токсичными газами и производить на выходе из глушителя автомобиля безопасные продукты горения. Используемые драгметаллы (платина, родий, палладий) не подаются коррозии, но по ценовой политике – это самые дорогие материалы, используемые в катализаторах. В среднем, производителям катализаторов драгметаллы обходятся за 1 кг в 50000 долларов, но цена окупается прежде всего получением экологически чистых газов на выхлопе.

Чтобы максимально увеличить поверхность контакта металла с газами и была разработана система микроканалов, которые обеспечивают общую площадь металлов примерно равную площади футбольного поля.

Отработанный газ из цилиндров устремляется с огромной скоростью в каталитический нейтрализатор и в первую очередь проходит через соты (каналы) первого блока (восстанавливающий) платиново-родиевым покрытием. Молекулы платины, родия и оксида азота вступают в химическую реакцию. Эти металлы притягивают к себе молекулы кислорода, а свободные атомы азота взаимодействуют между собой. Результат – оксид азота превращается в кислород и азот, которые вместе составляют 99% того газа чем мы дышим.

Далее газы поступают во второй блок (окислительный), через тысячи микроканалов, покрытых платиной и палладием. Эти драгметаллы притягивают кислород. Высокие температуры заставляют объединяться монооксиду углерода с еще одной молекулой кислорода и, в результате наступает преобразование токсичного газа в углекислый газ – газ, из которого состоит обычная питьевая газировка.

Помимо этого, еще есть молекулы негорючих веществ. Экстремально высокие температуры заставляют их рекомбинировать с молекулами кислорода. В результате, еще вырабатывается больше углекислого газа и вода.

Схема химических реакций, протекающих в блоках выглядят следующим образом:

  • CH+O2 -> CO2+H2O;
  • NO+CO -> N2+CO2;
  • CO+O2 -> CO2;
  • NO+H2 -> N2+H2O.

Таким образом, реализация в катализаторах ускорителей в виде драгметаллов позволяет получить химические реакции, нейтрализующие токсичные, вредные вещества CO, CHx и NOx с получением на выходе безвредной воды H2O, азота N2 и углекислого газа CO2.

Краткая справка по применяемым в катализаторах драгметаллов

Платина – благородный металл серебристо-белого цвета. Название платине дали испанские завоеватели Южной Америки. В связи со сходством этого металла с серебром, но очень сильной тугоплавкостью им пренебрегали и даже топили в море, отделяя от россыпи золото, вследствие этого платина с испанского языка в буквальном смысле означает пренебрежительное к серебру слово «серебришко».

Началом применения платины в катализаторах послужило открытие в 1821 немецким химиком И.В. Деберейнером способности платиновой руды протеканию и ускорению ряда химических реакций, при этом сам драгметалл не претерпевал никаких изменений.

Родий – благородный драгоценный металл группы платиноидов с ярко изумительным холодным блеском серебристо-белого цвета, дорогой по цене, очень твердый, но хрупкий.

Металл с такими характеристиками является королем бриллиантов и самоцветов, находится в одном ряду по ценности с такими металлами как серебро, золото и платина.
Родий – металл, получаемый путём переработки платины, при этом для получения 1 кг родия необходимо ее несколько тонн.

Применение родия в массовом количестве направлено в основном в автомобильной отрасли. Около 97% материала-сырья уходит на производство катализаторов — узлов выхлопной системы. Именно родий, являющийся катализатором по своей природе, способен перерабатывать выходящие из цилиндров двигателя токсичные газы.

Палладий – переходный металл серебристо-белого цвета с гранецентрированной кубической решёткой, в чистом виде довольно мягкий металл.

Палладий часто применяется как катализатор, в основном, в процессе гидрогенизации жиров и крекинге нефти и в настоящее время активно используется в производстве автомобильных катализаторов.

Практическое применение катализатора на автомобиле

Любой современный автомобиль с бензиновым и дизельным двигателем оснащается системой очистки токсичных газов — катализаторами.

Устанавливается катализатор непосредственно после приемной трубы или соединяется через разветвленные трубы к головке блока цилиндров и называется такая конструкция катколлектором. Второй способ наиболее чаще стал применяться на автомобилях, так как происходит ускоренный нагрев элементов катализатора. После катализатора на автомобилях, принадлежащих к экологическим нормам Евро-3, Евро-4 и Евро-5 устанавливается датчик кислорода, который выполняет функции диагностические. Иными словами, диагностируемый датчик кислорода выполняет контроль эффективности работы катализатора и в случае превышения норм выхлопа загорается на панели приборов ошибка, сообщающая о критической работе катализатора. В этом случае необходимо проверить параметры работы двигателя и установить причину превышения норм допустимого выхлопа токсичных газов.

Ресурс катализатора составляет ориентировочно от 100000 до 200000 километров пробега, но если двигатель на этом этапе работал без пропусков воспламенения в цилиндрах или их было незначительное число раз, то функционирование достигает и до 500000 км.

Как уберечь катализатор от повреждений и раннего износа?

Для этого необходимо знать причины, вызывающие ранний износ или его повреждение. Прежде всего необходимо обращать внимание к качеству заливаемого в бензобак топлива. В случае некачественного топлива, насыщенного искусственно ферритами, марганцем и другими инородными веществами, включая водяной конденсат, происходит засорение микроканалов, что приводит к противодавлению в выхлопной системе. Обратный отскок выхлопных газов значительно нарушает работу газораспределительного механизма и в силу поступления в впускной тракт горячих отработанных газов усиливает износ поршневой группы и клапанов. Такое явление на некоторых типах автомобилей учитывается и устанавливается специальное устройство, называемое рециркулятором.

В бензиновых двигателях может быть внутренняя система рециркуляции и внешняя. Внутренняя система проектируется таким образом, чтобы выпускной клапан оставался некоторое время открытым в то время, когда уже открылся впускной клапан. Такое положение клапанов называют «перекрытием», обеспечивающей внутреннюю рециркуляцию газов и не требующей дополнительных компонентов. Внешняя работает с дополнительным компонентом, называемым клапан рециркуляции (EGR).

Благодаря системе рециркуляции отработанные газы, попадающие обратно во впускную систему, охлаждаются, что снижает расход топлива и количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Следующим фактором, влияющим на износ катализатора, является неисправность двигателя. Несбалансированная работа двигателя влечет к изменению топливоподачи. Топливо в значительном количестве начинает поступать в катализатор, забивая микроканалы и эффективность его резко падает. И, наоборот, если в систему поступает слишком мало топлива, бедная смесь, то катализатор начинает сильно греться, вызывая очень высокую температуру (выше 800 градусов), вследствие чего элементы с драгметаллом начинают плавиться. И в том, и в другом случае дорогостоящий катализатор подлежит замене, так как ремонту он не пригоден.

Механические удары также могут быть причиной раннего износа катализатора, так как в образовавшуюся трещину начинает поступать воздух вызывая перегрев и проникновение инородных частиц, забивающих микроканалы, препятствующих прохождению отработанных газов.

Катализатор является частью выхлопной системы двигателя и соответственно его неисправность отражается на работе мотора. В основном неисправность катализатора выражается в его разрушении (на основе керамики) или оплавлении (на металлической основе), а также в засорении микроканалов. Если катализатор начал плохо пропускать отработанные газы, то это отразится на работе двигателя:

  • трудный продолжительный запуск;
  • заводится и глохнет;
  • падает тяговая характеристика;
  • увеличивается расход топлива;
  • возникает неприятный запах, напоминающий сероводород;
  • при разгоне возникают провалы;
  • горит аварийная лампа неисправности двигателя.

 

Для чего нужен катализатор?

Каталитический нейтрализатор — одна из самых дорогостоящих деталей автомобиля. Именно по этой причине не нужно выбрасывать нерабочую запчасть после ее снятия или замены. На старом катализаторе можно неплохо заработать, ведь прием катализаторов на AutoCatalystMarket проводится в многих регионах страны. Здесь вы сможете быстро продать вышедшую из строя деталь по выгодной цене, предварительно проконсультировавшись с менеджером компании в онлайн-режиме.

Но что дает катализатор и для чего применяется в конструкции автомобиля?

   


Что такое каталитический нейтрализатор

Многие автолюбители, особенно не совсем опытные, узнают о такой части автомобиля только от автомехаников при поломке машины. В народе деталь называется катализатором, хоть официально носит название намного длиннее: автомобильный каталитический нейтрализатор выхлопных газов.

Так зачем же он нужен? А используется катализатор для очищения вредных для окружающей среды элементов. Происходит это методом их принудительного догорания в результате химических реакций. Таким образом, углеводороды, окись азота и окись углерода трансформируются в катализаторе в воду, углекислый газ и азот. Эти микроэлементы считаются менее вредными для окружающей среды чем предыдущие.

Данная деталь является дорогостоящей исходя из ее конструкции, в которой используются:

•  дорогая керамика;
•  родий;
•  платина;
•  палладий.

Катализатор не предусмотрен для длительной эксплуатации. Так как внутренняя его часть состоит из мелких каналов, внешне похожих на соты, они со временем засоряются сажей и другими веществами. При снижении пропускной способности, каталитический нейтрализатор теряет свои функции. За счет того, что отработанные газы не могут свободно через него проходить, они начинают «душить» двигатель, что может привести к серьезным неисправностям в его работе и даже к поломке.

Негативное воздействие на катализатор оказывает езда по плохим дорогам и постоянная вибрация. От тряски внутренняя часть может ударяться об внешнюю оболочку и со временем потрескаться.

Мало какой катализатор доживает до пробега больше 100–120 тысяч км. И в большинстве случаев деталь, после поломки, не подлежит восстановлению.


Что влияет на срок эксплуатации катализатора

Наиболее вредит катализатору проблема с системой зажигания автомобиля. Если цикл настроен неправильно, недогоревшая в цилиндре топливная смесь может оседать на стенках сот и закупоривать их. То же самое происходит, при попадании масла в топливную систему. Если легкий налет сажи еще можно продуть, продлив срок работоспособности нейтрализатора, то шлаки прикипают к его элементам и деталь становится непригодной к реставрации.

Такой же негативный эффект несет и слишком резвый режим езды. В любителей «топить тапку в пол» катализатор выходит из строя намного быстрее. Это начинает ощущаться, когда двигатель заметно теряет в мощности, а расход топлива увеличивается.

 

Основы катализаторов — Chemistry LibreTexts

Гетерогенные катализаторы

Катализатор — это другое вещество, чем продукты-реагенты, добавляемые в реакционную систему для изменения скорости химической реакции, приближающейся к химическому равновесию. Он циклически взаимодействует с реагентами, способствуя, возможно, многим реакциям на атомном или молекулярном уровне, но не расходуется. Еще одна причина использования катализатора заключается в том, что он способствует производству выбранного продукта.

Катализатор изменяет энергию активации, E a , реакции, обеспечивая альтернативный путь для реакции.Скорость и константа скорости k реакции связаны с E a следующим образом:

скорость = k * функция концентрации
k = A exp ( E a / R T )

, где A — константа, связанная с частотой столкновений. Таким образом, изменение E изменяет скорость реакции.

Катализатор в той же фазе (обычно жидкий или газовый раствор), что и реагенты и продукты, называется гомогенным катализатором .

Катализатор, который находится в отдельной фазе от реагентов, называется гетерогенным или контактным катализатором . Контактные катализаторы — это материалы, способные адсорбировать молекулы газов или жидкостей на своей поверхности. Примером гетерогенного катализа является использование мелкодисперсной платины для катализа реакции монооксида углерода с кислородом с образованием диоксида углерода. Эта реакция используется в каталитических нейтрализаторах, установленных в автомобилях, для удаления окиси углерода из выхлопных газов.

Промоторы сами по себе не являются катализаторами, но повышают эффективность катализатора. Например, оксид алюминия Al 2 O 3 добавляют к мелкодисперсному железу для увеличения способности железа катализировать образование аммиака из смеси азота и водорода. Яд снижает эффективность катализатора. Например, соединения свинца отравляют способность платины как катализатора. Таким образом, этилированный бензин нельзя использовать в автомобилях, оборудованных каталитическими нейтрализаторами.

Поскольку гетерогенные катализаторы часто используются в высокотемпературных реакциях, они обычно представляют собой тугоплавкие (тугоплавкие) материалы, или же они могут быть нанесены на тугоплавкие материалы, такие как оксид алюминия.

Сегодня разработка катализаторов — это вызов для химиков и инженеров, связанных с эффективным производством, предотвращением загрязнения и обработкой отходов.

Что такое химическое поглощение и как оно способствует химическим реакциям?

Как упоминалось в случае твердых дефектов, твердые поверхности являются двумерными дефектами.Они обладают потенциалом притяжения для молекул газов и жидкости. Адсорбция происходит, когда молекулы притягиваются к поверхности, и когда молекулы проникают через объемный материал, используется термин абсорбция. Абсорбция без образования или разрыва химических связей называется физической абсорбцией или физической сорбцией, тогда как хемосорбция относится к процессам, когда образуются или разрываются новые связи.

Inorganic Chemistry Swaddle (стр. 117) дает отличный пример для иллюстрации хемосорбции водорода никелевым катализатором.Энергия связи H 2 составляет 435 кДж / моль. Таким образом, в реакции гидрирования для реакций должна быть доступна энергия:

H 2 -> 2 H, H = 435 кДж

| |
> C = C <+ 2 H -> H-C — C-H
| |

В указанной выше реакции энергия активации E a близка к 435 кДж. Однако, когда водород поглощается никелем, разрыв связи Н-Н облегчается за счет ряда шагов.

2 Ni + H 2 —> 2 Ni … H 2 —-> 2 Ni-H
Физисорбция в твердом газе, хемосорбция

Таким образом, энергия активации снижается из-за образования связей Ni-H. Изменение энергии активации изменяет скорость реакции.

При активации O 2 металлом M связь O = O ослабляется или разрывается с помощью следующих шагов:

O = O O — O O O O- O-
| | || || | |
-M — M- ==> -M — M- ==> -M M- ==> -M M-

На этих этапах кислород активируется на разных этапах.

С помощью сложных экспериментальных методов мы можем детально изучить хемосорбированные частицы. Например, хемосорбированный этилен считается этилидиновым радикалом

  Ч В В
      \ | /
        C
        |
        C
       / | \
    PtPtPtPtPt
Металл Металл Металл
  

Хемосорбированный радикал этилидун.

Какие виды хемосорбции приводят к отравлению катализатора?

Если поглощенные частицы очень стабильны и в процессе хемосорбции выделяется много энергии, поглощенные частицы не реакционноспособны.Их поглощение предотвращает дальнейшее поглощение других частиц, делая катализатор неактивным. Эти явления известны как отравление катализатором.

Яд снижает эффективность катализатора. Тетраэтилсвинец всегда был добавкой к бензину. В целях защиты окружающей среды в автомобилях установлены каталитические нейтрализаторы для окисления окиси углерода и углеводородов. Однако соединения свинца отравляют способность платины как катализатора. Таким образом, этилированный бензин не следует использовать в автомобилях, оборудованных каталитическими нейтрализаторами.

На рынке существует множество типов катализаторов, например, катализатор окисления MIRATECH может также снизить выбросы окиси углерода и углеводородов. Самый распространенный катализатор использует металлическую Pt.

В последнее время возникает озабоченность по поводу снижения содержания серы в бензине и других моторных топливах с целью уменьшения выбросов оксидов серы. Технически соединения серы не являются каталитическими ядами (т.е. они не вызывают необратимого снижения эффективности катализатора).Однако они будут занимать часть поверхности драгоценного металла, тем самым снижая активную конверсию выхлопных газов до тех пор, пока сера снова не будет десорбироваться с участков драгоценного металла (краткосрочный эффект).

Как переходные металлы выбираются в качестве катализаторов?

Первые переходные металлы представлены этими металлами.

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu и Zn

Типичными общими чертами среди них являются наличие d электронов, а во многих из них и их незаполненных d орбиталей.В результате переходные металлы образуют соединения с переменной степенью окисления. Таким образом, эти металлы представляют собой банков электронов , которые ссужают электроны в соответствующее время и хранят их для химических соединений в другое время.

Переходные металлы используются в реакциях гидрирования , упомянутых ранее. Эти реакции представлены

| |
> C = C <+ 2 H -> H-C — C-H
| |

Например, гидрирование ненасыщенного масла при производстве маргарина является таким приложением.Специальные катализаторы, такие как ICT-3-25-P, изготавливаются из палладия, нанесенного на специальный широкопористый углеродный носитель «Сибунит».

Другими процессами, катализируемыми переходными металлами, являются окислительно-восстановительные реакции:

NH 3 + 5/4 O 2 = NO + H 2 O
2 CO + O 2 = 2 CO 2

Окисление CO происходит в каталитических нейтрализаторах, платина часто, но не всегда, используется в них в качестве катализатора. На представленном здесь изображении показан двойной каталитический нейтрализатор, показывающий путь прохождения газа.

Для большинства переходных металлов, кроме золота, хемосорбционная сила соответствует общей последовательности для газообразных реагентов:

O 2 > алкины> алкены> CO> H 2 > CO 2 > N 2

Хемосорбционная сила также зависит от металлов. В общем, хемосорбция наиболее сильна для металлов слева, а для переходных металлов она уменьшается в период с увеличением атомного номера:

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg

Хемосорбция слишком сильна для групп Sc, Ti, V, Cr и Mn, и эти металлы не являются эффективными катализаторами.

  • Fe, Ru и Os прочно хемосорбируют большинство газов и почти не хемосорбируют N 2 .
  • Chemisorb по прочности для Co и Ni слабее, чем для группы Fe. Их абсорбция для CO 2 и H 2 очень слабая.
  • Rh, Pd, Ir и Pt почти не хемосорбируют H 2 , но не CO 2 .
  • Cu, Ag, почти не хемосорбируют CO и этилен.

Эти относительные силы хемосорбции позволяют нам сделать некоторые простые прогнозы относительно их способности действовать как катализаторы конкретных реакций.Например, катализатор процесса Габера по производству аммиака должен хемосорбировать азот. Можно рассмотреть железо, рутений или осмий.

Для реакций гидрирования катализатор должен хемосорбировать H 2 . Подходят металлы Co, Rh, Ir, Ni, Pd и Pt. Доступность и стоимость являются дополнительными факторами, которые необходимо учитывать. Учитывая все обстоятельства, никель — действительно хороший выбор.

Эти руководящие принципы очень грубые, и каждый случай требует тщательного изучения. К счастью, многие катализаторы коммерчески доступны.Многие компании оставляют исследования и разработки катализаторов.

Что такое синтез-газы и как их готовят?

Синтез-газ — это общий термин, используемый для обозначения синтетических газов, пригодных в качестве топлива или для производства жидкого топлива. Часто это смесь H 2 и CO, и эта смесь может быть преобразована в метанол, CH 3 OH. Хорошо известными катализаторами являются Pt и Rh, но для производства синтез-газа также используются другие технологии, такие как мембраны.

Выбор катализатора важен в промышленных производствах.Например, использование родия или платины в качестве катализаторов показало, что распределение продуктов сильно различается при использовании метана или этана.

CH 4 (65%) + O 2 (35%) — Rh -> H 2 (60%) + CO (30%) + CO 2 (2%) + H 2 ) (5%)

При использовании платины было получено больше нежелательных продуктов H 2 O и CO 2 . Swaddle описал разницу между использованием этих двух металлов в качестве катализаторов ( Inorganic Chemistry , стр. 120), но когда дело доходит до применения, требуется гораздо больше деталей.Эти данные свидетельствуют о том, что небольшое различие в хемосорбции приводит к очень разным результатам.

Почему металлические кластеры будут отличным потенциальным катализатором?

Площадь поверхности на единицу веса является важным фактором, когда твердые вещества используются в качестве катализаторов. Есть много исследований, связанных с изучением площади поверхности твердых частиц металлов. Разработаны различные методы измерения площади поверхности твердых материалов. Одним из таких методов является определение площади поверхности по адсорбции газа.

Кластеры — это металлические частицы предельного размера, каждая из которых состоит всего из нескольких атомов. Нет необходимости строго определять количество атомов в частицах, которые можно было бы назвать кластерами, но общее мнение таково, что когда количество атомов на поверхности частицы больше, чем количество атомов в внутренней части , частица — это кластер . Таким образом, кластер может иметь всего от 3 атомов до нескольких десятков атомов.

Кстати, термин кластер использовался и в других областях исследований.Например, в металлоорганической химии соединения, в которых несколько металлов связаны между собой связями металл-металл, также называются металлическими кластерами. К этой категории относятся многие карбонильные соединения. Например,

Co 2 (u-CO) 2 (CO) 6 , (u-CO означает мостиковый CO между двумя атомами металла)
Mn 2 (CO) 10
Fe 3 (CO ) 12
Co 4 (CO) 12
Rh 4 (CO) 12
CFe 5 (CO) 15
Rh 6 (CO) 16
Os 6 (CO) 18

Карбонилы металлов исследовались как гомогенные катализаторы.Они упомянуты здесь, чтобы вы могли оценить их использование в другой литературе.

Вся каталитическая активность происходит на поверхности, потому что поверхностные атомы имеют склонность к хемосорбции молекул газа. Таким образом, кластеры, естественно, будут отличными потенциальными катализаторами. Таким образом, исследование гетерогенных катализаторов может включать изучение химии кластерных ионов металлов и инкапсулированных кластеров серебра в качестве катализаторов окисления. Кластеры могут быть получены путем осаждения из паровой фазы.Название этой ссылки звучит очень интересно: Химия паров атомов металлов: область ждет своего прорыва.

Являются ли нестехиометрические оксиды потенциальными катализаторами окислительно-восстановительных реакций?

Благодаря своей способности иметь различную степень окисления, переходные металлы образуют нестехиометрические оксиды, и они обладают отличным потенциалом для реакций окисления и восстановления (окислительно-восстановительных), поскольку они могут как отдавать, так и принимать электроны.

M n + => M (n + 1) + + e
M (n + 1) + + e => M n +

Кроме того, они напоминают металлы и катализируют реакции гидрирования и изомеризации.

Оксид металла p-типа имеет избыточные положительные заряды в твердом теле, и они могут адсорбировать кислород с образованием таких анионов, как O , O 2 — , O 2 и O 2 2- на их поверхности. Оксид никеля является таким оксидом. Оказывается, наиболее активными являются адсорбированные частицы O ,

O 2 (г) + 2 Ni 2+ => 2 O (реклама) + 2 Ni 3+
2 O (реклама) + 2 CO (реклама) => 2 CO 2 + 2 e
2 Ni 3+ + 2 e => 2 Ni 2+

Когда оксид отдает кислород, электроны остаются позади, и отрицательный заряд в нем делает его оксидом n-типа .Оксид цинка является таким оксидом n-типа , и механизм реакции можно представить следующим образом:

CO (г) + 2 O 2- (решетка) => CO 3 2- (решетка) + 2 e
0,5 O 2 + 2 e => O 2-
CO 3 2- (решетка) = CO 2 + O 2- (решетка)

Общая реакция —

CO + 0,5 O 2 => CO 2

На этих первичных этапах кислород потребляется посредством адсорбции на твердом теле.

Сульфид, такой как MoS 2 , может терять атомы серы, чтобы стать твердым телом n-типа , Mo 1 + x S 2 или получить атом серы, чтобы стать твердым Мо p-типа . 1-x S 2 , в зависимости от давления пара S 2 газа, окружающего твердое тело. Путем легирования MoS 2 оксидом можно также превратить его в твердое вещество p-типа для катализатора.

Одно из полезных применений MoS 2 в качестве катализатора — снижение содержания серы в бензине.Например, циклический тиофен C 4 H 4 S может быть преобразован в углеводород с использованием p-типа MoS 2 ,

C 4 H 4 S + 4 H 2 == p-образный MoS 2 ==> C 4 H 10 + H 2 S

Это достигается с помощью обычного промышленного катализатора гидрообессеривания, который может содержать 14% МоО 3 и 3% СоО на носителе из оксида алюминия.

Какие катализаторы можно сделать из стехиометрических оксидов?

Хорошо известно, что оксиды металлов растворяются в воде с образованием основных растворов, тогда как неметаллические оксиды растворяются в воде с образованием кислых растворов.Некоторые оксиды металлов, такие как Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 и т. Д., Растворяются в сильных кислотах и ​​основаниях. Таким образом, мы можем разделить оксиды на кислотные и основные оксиды для каталитической активности.

Кислые оксиды

Кислые оксиды, такие как Al 2 O 3 и SiO 2 , катализируют реакции дегидратации, такие как

R-CH 2 CH 2 OH (г) == (Al 2 O 3 , 600 K) ==> R-CH = CH 2

Если мы рассматриваем оксид как кислоту Льюиса, он адсорбирует группу ОН, облегчая реакцию на следующих стадиях.

R-CH 2 CH 2 OH (г) => R-CH 2 -CH 2 + + OH (адсорбированный)
R-CH 2 -CH 2 + => R-CH + -CH 3
R-CH + -CH 3 + OH (адсорбированный) => R-CH = CH 2 + H 2 O

Цеолиты, которые являются алюмосиликатами, действуют как кислотные катализаторы. Они также катализируют изомеризацию, крекинг, алкилирование и другие органические реакции.

Основные оксиды

Основные оксиды, такие как MgO и ZrO, благоприятствуют реакциям с участием анионных частиц . Когда протон H + адсорбируется на поверхности, близкой к иону O 2- в оксиде металла, образуется группа OH , оставляя органической молекуле отрицательный заряд.

CH 3 -CH 2 -CN + MO (твердый) => -CH 2 -CH 2 CN + M-OH + (твердый)
=> CH 2 = CH- CN + MOH 2 (твердый)
= + кислород => CH 2 = CH-CN + MO (твердый) + H 2 O (продукт)

Общая реакция представляет собой избирательное окисление

CH 3 -CH 2 -CN + MO (твердый) + 0.5 O 2 => CH 2 = CH-CN + MO (твердый) + 0,5 H 2 O

Окисление устраняет два атома водорода на молекулу в процессе, и предлагаемый механизм предполагает двухэтапный процесс удаления.

Смеси основных оксидов использовались в качестве катализаторов в окислительной реакции сочетания метана. В некоторых случаях для такого применения разрабатываются специальные реакторы и катализаторы. TAP Reactor — одно из таких приложений. В данном случае использовались цеолиты.

Что такое фотокаталитические реакции?

Реакции, вызванные фотонами, пучками энергии излучения, называются фотолизом. Фотокаталитические реакции подразумевают фотолиз в присутствии катализатора. Однако в большинстве случаев катализаторы являются полупроводниками, а реакции представляют собой реакции фотолиза с участием полупроводников. В этом аспекте фотокатализатор выполняет несколько иную функцию, чем те, что используются в термохимическом процессе.

Моделирование, приведенное ниже, показывает, что когда желтый луч попадает на полупроводник TiO 2 , электроны возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости.Ширина запрещенной зоны составляет 3,2 В. Возбужденный электрон способствует образованию H 2 . Дырки отбирают электроны от групп OH , превращая их в активные радикалы OH. Радикалы распадаются с образованием O 2 или реагируют с CHCl 3 , превращая его в безвредный CO 2 , H + и Cl . Это моделирование фотокатализаторов подготовлено японской группой, и оно довольно хорошо иллюстрирует концепцию. На самом деле процесс довольно сложный.

При фоторазложении воды возбужденные электроны реагируют с ионами (протонами) водорода

2 H + + 2 e = H 2
2 OH + 2 e + (отверстие) = H 2 O + 0,5 O 2

Таким образом, продукты H 2 и O 2 являются потенциальным топливом для энергоснабжения, особенно для топливных элементов.

В качестве другого примера фторборная кислота используется в гальванике и отделке металлов.Для очистки сточных вод этих производств требуется удаление борной кислоты. Существующие методы адсорбции, коагуляции, осаждения не работают. Таким образом, было изучено фотокаталитическое разложение фторборной кислоты, которое показало, что TiO 2 достаточно эффективен при легировании оксидами Cr и Fe. Приведенная выше ссылка показывает, что легирование Cr или Fe резко увеличивает активность. Более того, 0,5 мас.% Cr / TiO2 и 1,0 мас.% Fe / TiO2 показали максимальную активность 61% и 41% соответственно.

Недавно в новостной статье появилось привлекательное заявление о внутреннем воздухоочистителе. Подумайте сами, стоит ли это исследовать.

Пример 1

Энергетическая щель TiO 2 составляет 3,2 В. Какова частота фотонов, энергии которых достаточно для возбуждения электронов из ковалентной зоны TiO 2 в зону проводимости?

Раствор
Энергия возбуждения электрона до 3,2 В составляет 3,2 эВ.

1.6022e-19 Дж 1
3,2 эВ ————- ————- = 7,74e14 Гц
1 эВ 6,626e-34 Дж с

ОБСУЖДЕНИЕ
Длина волны этих фотонов

3e8 м / с
——— = 387e9 м (или 387 нм)
7,74 / с

Эти фотоны находятся в видимом диапазоне 350-700 нм.

Пример 2

Моль фотонов называется эйнштейном. Сколько энергии в Дж соответствует эйнштейну фотонов, описанных в Примере 1.

Решение
Энергия

1.6022e-19 Дж 6.022e23
3,2 эВ ————— ————- = 308000 Дж = 308 кДж
1 эВ 1 фотон

ОБСУЖДЕНИЕ
Когда мы обсуждали энергию Гиббса, мы узнали, что энтальпия образования для H 2 O составляет -285,83 кДж. Это означает, что нам нужно минимум 286 кДж для разложения воды. Таким образом, 1 эйнштейн фотонов имеет больше энергии, чтобы разложить моль воды, чем минимум.Однако для разложения воды требуется перенапряжение. Оксид титана смешивают с металлической платиной и оксидом рутения для облегчения образования пузырьков в этом процессе. (См. Inorganic Chemistry Swaddle (стр. 125).

На пути к лучшему катализатору

Платформа

оптимизирует конструкцию новых настраиваемых каталитических систем

Лия Берроуз, SEAS Communications

(КЕМБРИДЖ, Массачусетс). В конце 1700-х годов шотландский химик Элизабет Фулхейм обнаружила, что определенные химические реакции происходят только в присутствии воды и что в конце этих реакций количество воды не истощается.Фулхейм был первым ученым, продемонстрировавшим силу катализатора — материала, который может ускорять химическую реакцию, но не поглощается ею.

Институт Висса разрабатывает новый тип покрытия для каталитических нейтрализаторов, который, вдохновленный наноразмерной структурой крыла бабочки, может значительно снизить стоимость и улучшить характеристики технологий очистки воздуха, делая их более доступными для всех. Фото: Институт Висса при Гарвардском университете

Двести лет спустя катализаторы стали одним из двигателей современной жизни.Химическая промышленность использует катализаторы для 90% своих процессов — от очистки нефти, превращения нефти в пластик и производства удобрений, пищевых продуктов и лекарств до очистки воздуха от вредных загрязняющих веществ, выбрасываемых автомобилями и заводами.

Разработка каталитических систем для такого широкого спектра применений — большая проблема. Катализаторы необходимо интегрировать в системы, охватывающие широкий диапазон размеров, форм и составов материалов, и контролировать множество химических реакций в самых разных условиях.Кроме того, в большинстве специализированных катализаторов используются редкие и дорогие металлы, такие как платина, палладий и родий, нанесенные на металлические или оксидные матрицы с большой площадью поверхности.

Теперь группа исследователей из Института Висса при Гарвардском университете и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработала и протестировала новый подход к оптимизации конструкции настраиваемых каталитических систем.

Исследование, проведенное Джоанной Айзенберг, членом основного факультета Института Висс, описано в серии статей, опубликованных в Advanced Materials , Advanced Functional Materials и Chemistry — A European Journal .Айзенберг также является профессором Эми Смит Берилсон по материаловедению и профессором химии и химической биологии.

Nature в течение миллиардов лет занималась исследованиями и разработками, направленными на совершенствование конструкции каталитических систем.

Таня Ширман

Одной из самых больших проблем при разработке эффективных катализаторов является создание наноструктурированных пористых твердых частиц, на которых и в которых протекают реакции. В течение долгого времени исследования Айзенберга были сосредоточены на изучении сложных природных микро- и наноструктурированных материалов, таких как радужные опалы или крылья бабочки, а также на выяснении способов, которыми биология контролирует химию и морфологию своих наноразмерных строительных блоков.Вдохновленная естественными процессами, команда исследователей разработала методологию создания совершенных, высокоупорядоченных, опалоподобных микроматериалов для широкого спектра каталитических и фотокаталитических реакций.

Для создания этих структур исследователи ввели метод совместной сборки, при котором крошечные сферические частицы и предшественники матрицы одновременно осаждаются из единой смеси для получения бездефектных пленок в сантиметровом масштабе. Исследователи продемонстрировали этот процесс с широко используемыми каталитическими материалами, включая диоксид титана, оксид алюминия и диоксид циркония, включая различные моно- и мультиметаллические наночастицы.

«Распространение этой методологии на небиологические кристаллические материалы приведет к созданию микромасштабных архитектур с улучшенными фотонными, электронными и каталитическими свойствами», — сказала соавтор Таня Ширман, научный сотрудник по развитию технологий в Институте Висса и научный сотрудник SEAS.

При разработке самих каталитических частиц исследователи также обратились к природе, используя для вдохновения биокатализаторы, такие как ферменты. В биологических системах наноразмерные каталитические материалы прикрепляются к более крупным объектам, таким как белки и клетки, которые самоорганизуются, образуя более крупные сети точно спроектированных каталитических центров.

Новая технология основана на наноструктуре крыла бабочки, которое является пористым, отталкивает воду и преломляет свет. Предоставлено: Shutterstock / Ondrej Prosicky

. «У природы миллиарды лет исследований и разработок, направленных на совершенствование конструкции каталитических систем», — сказала Таня Ширман. «В результате они невероятно эффективны и позволяют координировать и настраивать сложные реакции за счет оптимального расположения каталитических комплексов».

Исследователи имитировали иерархическую архитектуру природных катализаторов, разработав высокомодульную платформу, которая строит сложные катализаторы из органических коллоидов и неорганических каталитических наночастиц.Команда может контролировать все, от состава, размера и размещения каталитических наночастиц до размера, формы и связности коллоидов, а также общей формы и структуры сети. Полученные каталитические системы используют значительно меньшее количество драгоценных металлов, чем существующие катализаторы.

«Драгоценный металл — очень ограниченный ресурс», — сказал соавтор Элайджа Ширман, научный сотрудник Института Висса и SEAS. «Оптимизируя конструкцию и сводя к минимуму количество драгоценных металлов, используемых в каталитических системах, мы можем создавать более устойчивые катализаторы в целом и использовать каталитические материалы способами, которые в настоящее время недоступны.”

Метод относительно прост: во-первых, каталитические наночастицы прикрепляются к коллоидам посредством различных видов химических и физических связей. Покрытые наночастицами коллоиды затем помещают в раствор предшественника матрицы и дают возможность самоорганизоваться в желаемый узор, который можно контролировать, ограничивая сборку определенной формой. Наконец, коллоиды удаляются, так что образуется структурированная сеть, украшенная наночастицами, частично внедренными внутри матрицы.Эта иерархическая пористая архитектура с прочно прикрепленными каталитическими центрами максимизирует площадь поверхности для каталитической реакции и повышает надежность катализатора.

«Наша синтетическая платформа позволяет нам взять компоненты сборки и сформировать полностью взаимосвязанную, высокоупорядоченную пористую микроархитектуру, в которую уникальным образом включены каталитические наночастицы», — сказала Таня Ширман. «Это обеспечивает исключительную механическую, термическую и химическую стабильность, а также большую площадь поверхности и полную доступность для диффундирующих реагентов.”

Архитектура, напоминающая крыло бабочки, позволяет размещать катализаторы из драгоценных металлов (белый цвет) на пористом каркасе (серый цвет), чтобы каталитическая реакция была намного более эффективной и рентабельной. Предоставлено: Институт Висса при Гарвардском университете

«Технология, разработанная в моей лаборатории, особенно многообещающа для преодоления разрыва между современными исследованиями и разработками и реальными приложениями», — сказал Айзенберг. «Благодаря модульной конструкции и возможности настройки, эта структура может использоваться в различных областях, от синтеза важных химических продуктов до борьбы с загрязнением окружающей среды.Наши результаты ясно показывают, что теперь мы можем создавать лучшие катализаторы, использовать меньше драгоценных металлов и улучшать известные каталитические процессы ».

Эта технология в настоящее время проверяется и разрабатывается для коммерциализации Институтом Висса.

Команда

Айзенберга в настоящее время сосредоточена на разработке катализаторов следующего поколения для ряда приложений — от технологий чистого воздуха и каталитических преобразователей до усовершенствованных электродов для каталитических топливных элементов — в надежде вскоре протестировать свои разработки в реальных системах.

Команда недавно заняла второе место в конкурсе инноваций президента Гарварда, который определяет и продвигает перспективные технологические предприятия, которые могут оказать существенное влияние на общество и окружающую среду.

Соавтором исследования является Синтия Френд, доктор философии, профессор химии Теодора Уильяма Ричардса и профессор материаловедения в SEAS; Анна В. Шнейдман, доктор философии, научный сотрудник группы Айзенберга; Элисон Гринталь, научный сотрудник группы Айзенберга; Кэтрин Р.Филлипс, аспирант группы Айзенберга; бывшие студенты группы Айзенберга Хейли Уилан, Эли Балджер, Маркус Абрамович, Джатин Патил и Рошель Неварес; Тереза ​​М. Кей, бывший научный сотрудник группы Айзенберга; Докторанты группы Friend Джудит Латтимер, доктор философии, Матильда Луно, доктор философии, и Кристиан Рис, доктор философии; Майкл Айзенберг, доктор философии, старший научный сотрудник Института Висс; и Роберт Мэдикс, доктор философии, старший научный сотрудник SEAS.

Эта работа была поддержана программой National Science Foundation Designing Materials to Revolution and Engineer Our Future, Интегрированной мезомасштабной архитектурой для устойчивого катализа и Исследовательским центром Energy Frontier, финансируемым U.S. Министерство энергетики, Управление науки, фундаментальные энергетические науки.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для протекания химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, которое называется энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления во время реакции, оно называется катализатором или катализатором . Действие катализатора называется катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции. При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах.В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях. В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей.Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение. Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в обращение в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что некоторые химические вещества ускоряют реакцию.Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих упомянул «контактные процессы», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии». Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, получившая название лампы Дёберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом всей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции. Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их. Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)
B + AC → ABC (2)
ABC → CD (3)
CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии. Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Гетерогенные катализаторы

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. [1] Химические связи в подложке становятся достаточно ослабленными для образования новых. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены.Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Катализаторы гомогенные

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ).Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются. Вот некоторые из простейших реакций.

Cl + O 3 → ClO + O 2
ClO + O 3 → Cl + 2 O 2

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах.Большинство ферментов представляют собой белки, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, называемые дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью. Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией.Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что каталитический путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо большей скоростью, или определенными способами, или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции. Они имеют эффект на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей измерения «каталитической активности» катализатора в системе СИ является катал (моль в секунду).В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON). В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным.Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его. Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. [2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей.«Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление монооксида углерода до диоксида углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Ниже приведены другие примеры катализаторов и их применения.

  • Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.
  • Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях с помощью метода, известного как контактный процесс .
  • Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших углеводородных молекул на более простые — процесса, известного как крекинг .
  • Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализатором , а их действие называется биокатализом .
  • Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.
  • Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта. Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.
  • Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.
  • Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества. В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
  2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

New World Encyclopedia писатели и редакторы переписали и завершили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Определение катализатора

Что такое катализатор?

На фондовых рынках катализатором является событие или другие новости, которые резко повышают или понижают цену ценной бумаги.

Катализатором может быть что угодно: отчет о прибылях и убытках, аналитика, объявление о новом продукте, законодательный акт, судебный процесс, начало войны, предложение о покупке компании, шаг инвестора-активиста, комментарий от генеральный директор или правительственный чиновник, или заметное отсутствие должностного лица компании на специальном мероприятии.

Ключевые выводы

  • Катализатором на рынках может быть все, что приводит к резкому изменению текущего ценового тренда акции.
  • Наиболее распространенные катализаторы приходят в виде новой, часто неожиданной информации, которая заставляет рынок переоценивать деловые перспективы компании.
  • Некоторые инвесторы и трейдеры ищут катализаторы для создания краткосрочных рыночных возможностей для получения прибыли.

Общие сведения о катализаторах

В финансовых СМИ катализатором является все, что вызывает резкое изменение текущей тенденции акций. Это могут быть негативные новости, которые сбивают с толку инвесторов и прерывают восходящий импульс, или хорошие новости, которые выталкивают акции из депрессивного состояния.Поскольку катализатор может принимать любое количество форм, лучше привести конкретный пример.

25 августа 2015 года индекс S&P 500 достиг минимума за календарный год 1867,61, , на 12,51% ниже своего исторического внутридневного максимума 2134,72, который он достиг 20 мая того же года. Падение, начавшееся на прошлой неделе и начавшееся 24 августа, было самым резким с 2011 года и привело к падению ряда качественных акций из-за явной паники. Nike (NKE) была одной из них: закрылась на уровне 114 долларов.98 17 августа, 24 августа она достигла 94,50 доллара.

Тем не менее, бизнес был таким же стабильным, как и прежде, и почти восстановился к закрытию рынка 24 сентября, достигнув 114,79 доллара. На следующий день компания сообщила о квартальной прибыли, которая превзошла ожидания, и акции взлетели до внутридневного максимума в 125 долларов. Другими словами, катализатор неожиданной прибыли привел к росту цены акций Nike на 9,71% менее чем за 24 часа (и на 33,27% чуть более чем за месяц), несмотря на ужасные рыночные условия.

Изменение произошло из-за новой информации и, как следствие, изменения в восприятии инвесторов, а не из-за того, что цена Nike в пятницу была на 109,71% меньше, чем в четверг, или на 133,27% меньше, чем месяц назад.

Важность катализаторов для разных инвесторов

Инвесторы будут приписывать катализаторам разный уровень важности в зависимости от их рыночной философии. Инвесторы с чистой стоимостью полностью игнорируют катализаторы и вместо этого ищут операционную эффективность, целенаправленное управление, разумную оценку и сильные позиции на рынке.Для этих инвесторов катализаторы — приятные сюрпризы при условии, что они были правы в своей оценке компании , либо предоставляя возможность дешево создать позицию (в случае падения цен), либо осознавая ценность, которую они увидели. все время (в случае роста цен).

Между тем, инвесторы, использующие чистый импульс, будут внимательно следить за катализаторами или их влиянием на цены, пытаясь первыми распознать их такими, какие они есть, и купить в случае бычьего разворота или отклониться от медвежьего.В действительности, очень немногие инвесторы относятся к тому или иному типу, но попадают где-то в спектре стоимости-импульса.

Инвестор может сосредоточиться в первую очередь на фундаментальных показателях компании, но признать, что для реализации этой ценности потребуется катализатор. Они могут серьезно подумать о том, что может быть этим катализатором, не отрывая глаз от новых продуктов и состояния рынков, на которых работает компания.

В то же время основная масса активных инвесторов будет иметь некоторое представление о том, какие компании могут быть недооценены или которые существуют вне поля зрения основного рынка.Они составят список для наблюдения и выработают представление о том, какие новости могут спровоцировать движение цен, а не быть провальными катализаторами.

Те, кто хочет узнать больше о катализаторах и других финансовых вопросах, могут захотеть записаться на один из лучших доступных в настоящее время курсов по инвестированию.

Центральная роль ферментов как биологических катализаторов — Клетка

Фундаментальная задача белков — действовать как ферменты — катализаторы, которые увеличивают скорость практически всех химических реакций внутри клеток.Хотя РНК способны катализировать некоторые реакции, большинство биологических реакций катализируются белками. В отсутствие ферментативного катализа большинство биохимических реакций протекают настолько медленно, что они не могли бы происходить в мягких условиях температуры и давления, совместимых с жизнью. Ферменты ускоряют скорость таких реакций более чем в миллион раз, поэтому реакции, на которые в отсутствие катализа потребовались бы годы, могут происходить за доли секунды, если их катализирует соответствующий фермент.Клетки содержат тысячи различных ферментов, и их активность определяет, какая из многих возможных химических реакций действительно происходит внутри клетки.

Каталитическая активность ферментов

Как и все другие катализаторы, ферменты характеризуются двумя основными свойствами. Во-первых, они увеличивают скорость химических реакций, при этом сами по себе реакция не поглощается и не изменяется навсегда. Во-вторых, они увеличивают скорость реакции без изменения химического равновесия между реагентами и продуктами.

Эти принципы ферментативного катализа проиллюстрированы в следующем примере, в котором молекула, на которую воздействует фермент (называемая субстратом [ S ]), превращается в продукт ( P ) в результате реакции. В отсутствие фермента реакция может быть записана следующим образом:

Химическое равновесие между S и P определяется законами термодинамики (как обсуждается далее в следующем разделе этой главы) и представлено по соотношению скоростей прямой и обратной реакции ( S P и P S соответственно).В присутствии соответствующего фермента превращение S в P ускоряется, но равновесие между S и P не изменяется. Следовательно, фермент должен одинаково ускорять как прямую, так и обратную реакции. Реакция может быть записана следующим образом:

Обратите внимание, что фермент ( E ) не изменяется в результате реакции, поэтому химическое равновесие остается неизменным, определяемым исключительно термодинамическими свойствами S и P .

Эффект фермента на такую ​​реакцию лучше всего иллюстрируется изменениями энергии, которые должны произойти во время превращения S в P (). Равновесие реакции определяется конечными энергетическими состояниями S и P , на которые не влияет ферментативный катализ. Однако для того, чтобы реакция продолжилась, подложку необходимо сначала перевести в состояние с более высокой энергией, называемое переходным состоянием . Энергия, необходимая для достижения переходного состояния (энергия активации), представляет собой барьер для развития реакции, ограничивая скорость реакции.Ферменты (и другие катализаторы) действуют за счет снижения энергии активации, тем самым увеличивая скорость реакции. Повышенная скорость одинакова как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку оба должны проходить через одно и то же переходное состояние.

Рис. 2.22

Энергетические диаграммы для катализированных и некаталитических реакций. Проиллюстрированная реакция представляет собой простое превращение субстрата S в продукт P. Поскольку конечное энергетическое состояние P ниже, чем у S , реакция протекает слева направо.Для (подробнее …)

Каталитическая активность ферментов включает связывание их субстратов с образованием комплекса фермент-субстрат ( ES ). Субстрат связывается с определенной областью фермента, называемой активным центром. Связавшись с активным центром, субстрат превращается в продукт реакции, который затем высвобождается из фермента. Таким образом, реакция, катализируемая ферментами, может быть записана следующим образом:

Обратите внимание, что E остается неизменным с обеих сторон уравнения, поэтому равновесие не нарушается.Однако фермент обеспечивает поверхность, на которой реакции, превращающие S в P , могут протекать более легко. Это результат взаимодействий между ферментом и субстратом, которые снижают энергию активации и способствуют образованию переходного состояния.

Механизмы ферментативного катализа

Связывание субстрата с активным центром фермента является очень специфическим взаимодействием. Активные сайты — это щели или бороздки на поверхности фермента, обычно состоящие из аминокислот из разных частей полипептидной цепи, которые собраны вместе в третичной структуре свернутого белка.Субстраты изначально связываются с активным центром за счет нековалентных взаимодействий, включая водородные связи, ионные связи и гидрофобные взаимодействия. Как только субстрат связывается с активным центром фермента, несколько механизмов могут ускорить его превращение в продукт реакции.

Хотя простой пример, обсужденный в предыдущем разделе, включает только одну молекулу субстрата, большинство биохимических реакций включают взаимодействия между двумя или более различными субстратами. Например, образование пептидной связи включает соединение двух аминокислот.Для таких реакций связывание двух или более субстратов с активным центром в правильном положении и ориентации ускоряет реакцию (). Фермент обеспечивает матрицу, на которой реагенты собираются вместе и должным образом ориентируются, чтобы способствовать образованию переходного состояния, в котором они взаимодействуют.

Рисунок 2.23

Ферментативный катализ реакции между двумя субстратами. Фермент обеспечивает матрицу, на которой два субстрата сводятся вместе в правильном положении и ориентации для взаимодействия друг с другом.

Ферменты ускоряют реакции, также изменяя конформацию своих субстратов, чтобы приблизиться к конформации переходного состояния. Простейшей моделью взаимодействия фермент-субстрат является модель с замком и ключом , в которой субстрат точно входит в активный центр (). Однако во многих случаях конфигурации как фермента, так и субстрата модифицируются связыванием субстрата — процесс, называемый индуцированной подгонкой . В таких случаях конформация субстрата изменяется так, что она больше напоминает конформацию переходного состояния.Напряжение, вызванное таким искажением подложки, может дополнительно облегчить ее переход в переходное состояние за счет ослабления критических связей. Более того, переходное состояние стабилизируется за счет его прочного связывания с ферментом, тем самым снижая требуемую энергию активации.

Рисунок 2.24

Модели взаимодействия фермент-субстрат. (A) В модели с замком и ключом субстрат точно входит в активный центр фермента. (B) В модели индуцированной подгонки связывание субстрата искажает конформации как субстрата, так и фермента.Это искажение (подробнее …)

Помимо объединения нескольких субстратов и искажения конформации субстратов для достижения переходного состояния, многие ферменты непосредственно участвуют в каталитическом процессе. В таких случаях боковые цепи конкретных аминокислот в активном центре могут реагировать с субстратом и образовывать связи с промежуточными продуктами реакции. Кислые и основные аминокислоты часто участвуют в этих каталитических механизмах, как показано в следующем обсуждении химотрипсина как примера ферментативного катализа.

Химотрипсин является членом семейства ферментов (сериновых протеаз), которые переваривают белки, катализируя гидролиз пептидных связей. Реакцию можно записать следующим образом:

Различные члены семейства сериновых протеаз (включая химотрипсин, трипсин, эластазу и тромбин) имеют различные субстратные специфичности; они предпочтительно расщепляют пептидные связи, прилегающие к различным аминокислотам. Например, в то время как химотрипсин расщепляет связи, соседние с гидрофобными аминокислотами, такими как триптофан и фенилаланин, трипсин расщепляет связи рядом с основными аминокислотами, такими как лизин и аргинин.Однако все сериновые протеазы похожи по структуре и используют один и тот же механизм катализа. Активные центры этих ферментов содержат три важные аминокислоты — серин, гистидин и аспартат, которые управляют гидролизом пептидной связи. Действительно, эти ферменты называются сериновыми протеазами из-за центральной роли серинового остатка.

Субстраты связываются с сериновыми протеазами путем встраивания аминокислоты, прилегающей к сайту расщепления, в карман на активном сайте фермента ().Природа этого кармана определяет субстратную специфичность различных членов семейства сериновых протеаз. Например, связывающий карман химотрипсина содержит гидрофобные аминокислоты, которые взаимодействуют с гидрофобными боковыми цепями его предпочтительных субстратов. Напротив, связывающий карман трипсина содержит отрицательно заряженную кислотную аминокислоту (аспартат), которая способна образовывать ионную связь с остатками лизина или аргинина своих субстратов.

Рисунок 2.25

Связывание субстрата сериновыми протеазами.Аминокислота, примыкающая к расщепляемой пептидной связи, вставляется в карман в активном центре фермента. В химотрипсине карман связывает гидрофобные аминокислоты; связывающий карман трипсина содержит (подробнее …)

Субстрат связывается с расщепляемой пептидной связью рядом с серином активного сайта (). Затем протон этого серина переносится на гистидин в активном центре. Конформация активного центра способствует переносу протона, поскольку гистидин взаимодействует с отрицательно заряженным остатком аспартата.Серин реагирует с субстратом, образуя тетраэдрическое переходное состояние. Затем пептидная связь расщепляется, и фермент высвобождает С-концевую часть субстрата. Однако N-концевой пептид остается связанным с серином. Эта ситуация разрешается, когда молекула воды (второй субстрат) входит в активный центр и меняет предыдущие реакции. Протон молекулы воды переносится на гистидин, а его гидроксильная группа переносится на пептид, образуя второе тетраэдрическое переходное состояние.Затем протон переносится от гистидина обратно к серину, и пептид высвобождается из фермента, завершая реакцию.

Рисунок 2.26

Каталитический механизм химотрипсина. Три аминокислоты в активном центре (Ser-195, His-57 и Asp-102) играют решающую роль в катализе.

Этот пример иллюстрирует несколько особенностей ферментативного катализа; специфичность взаимодействий фермент-субстрат, расположение различных молекул субстрата в активном центре и участие остатков активного сайта в формировании и стабилизации переходного состояния.Хотя тысячи ферментов в клетках катализируют множество различных типов химических реакций, к их работе применимы одни и те же основные принципы.

Коферменты

Помимо связывания своих субстратов, активные центры многих ферментов связывают другие небольшие молекулы, которые участвуют в катализе. Протезные группы — это небольшие молекулы, связанные с белками, в которых они играют важнейшие функциональные роли. Например, кислород, переносимый миоглобином и гемоглобином, связан с гемом, простетической группой этих белков.Во многих случаях ионы металлов (например, цинка или железа) связаны с ферментами и играют центральную роль в каталитическом процессе. Кроме того, различные низкомолекулярные органические молекулы участвуют в определенных типах ферментативных реакций. Эти молекулы называются коферментами, потому что они работают вместе с ферментами, увеличивая скорость реакции. В отличие от субстратов, коферменты не изменяются необратимо в результате реакций, в которых они участвуют. Скорее они перерабатываются и могут участвовать во множестве ферментативных реакций.

Коферменты служат переносчиками нескольких типов химических групп. Ярким примером кофермента является никотинамидадениндинуклеотид ( NAD + ), который действует как переносчик электронов в реакциях окисления-восстановления (). NAD + может принимать ион водорода (H + ) и два электрона (e ) от одной подложки, образуя NADH. Затем НАДН может отдавать эти электроны второй подложке, повторно образуя НАД + .Таким образом, NAD + переносит электроны от первой подложки (которая окисляется) ко второй (которая восстанавливается).

Рисунок 2.27

Роль NAD + в окислительно-восстановительных реакциях. (A) Никотинамидадениндинуклеотид (NAD + ) действует как переносчик электронов в окислительно-восстановительных реакциях, принимая электроны (e ) с образованием NADH. (B) Например, NAD + может принимать электроны от одной подложки (подробнее …)

Несколько других коферментов также действуют как переносчики электронов, а третьи участвуют в переносе множества дополнительных химических групп (e .g. карбоксильные группы и ацильные группы; ). Одни и те же коферменты действуют вместе с множеством различных ферментов, катализируя перенос определенных химических групп между широким спектром субстратов. Многие коферменты тесно связаны с витаминами, которые вносят часть или всю структуру кофермента. Витамины не требуются бактериям, таким как E. coli , но они являются необходимыми компонентами рациона человека и других высших животных, которые утратили способность синтезировать эти соединения.

Регулирование активности ферментов

Важной особенностью большинства ферментов является то, что их активность непостоянна, а вместо этого может модулироваться. То есть активность ферментов можно регулировать, чтобы они функционировали надлежащим образом для удовлетворения разнообразных физиологических потребностей, которые могут возникнуть в течение жизни клетки.

Одним из распространенных типов регуляции ферментов является ингибирование с обратной связью, при котором продукт метаболического пути подавляет активность фермента, участвующего в его синтезе.Например, аминокислота изолейцин синтезируется серией реакций, начиная с аминокислоты треонина (). Первый этап этого пути катализируется ферментом треониндезаминазой, который ингибируется изолейцином, конечным продуктом этого пути. Таким образом, достаточное количество изолейцина в клетке ингибирует треониндезаминазу, блокируя дальнейший синтез изолейцина. Если концентрация изолейцина снижается, подавление обратной связи снимается, треониндезаминаза больше не ингибируется и синтезируется дополнительный изолейцин.Регулируя таким образом активность треониндезаминазы, клетка синтезирует необходимое количество изолейцина, но избегает траты энергии на синтез большего количества изолейцина, чем необходимо.

Рисунок 2.28

Запрет обратной связи. Первый этап превращения треонина в изолейцин катализируется ферментом треониндезаминазой. Активность этого фермента подавляется изолейцином, конечным продуктом метаболизма.

Ингибирование по обратной связи является одним из примеров аллостерической регуляции, при которой активность фермента контролируется связыванием малых молекул с регуляторными участками фермента ().Термин «аллостерическая регуляция» происходит от того факта, что регуляторные молекулы связываются не с каталитическим сайтом, а с отдельным сайтом на белке ( алло = «другой» и стерический = «сайт»). Связывание регуляторной молекулы изменяет конформацию белка, что, в свою очередь, изменяет форму активного центра и каталитическую активность фермента. В случае треониндезаминазы связывание регуляторной молекулы (изолейцина) подавляет ферментативную активность. В других случаях регуляторные молекулы служат активаторами, стимулируя, а не ингибируя их целевые ферменты.

Рисунок 2.29

Аллостерическая регуляция. В этом примере активность фермента ингибируется связыванием регуляторной молекулы с аллостерическим сайтом. В отсутствие ингибитора субстрат связывается с активным центром фермента, и реакция продолжается. Связывание (подробнее …)

Активность ферментов также может регулироваться их взаимодействием с другими белками и ковалентными модификациями, такими как добавление фосфатных групп к остаткам серина, треонина или тирозина.Фосфорилирование — особенно распространенный механизм регулирования активности ферментов; добавление фосфатных групп либо стимулирует, либо подавляет активность многих различных ферментов (). Например, мышечные клетки реагируют на адреналин (адреналин), расщепляя гликоген на глюкозу, тем самым обеспечивая источник энергии для повышенной мышечной активности. Распад гликогена катализируется ферментом гликогенфосфорилазой, который активируется фосфорилированием в ответ на связывание адреналина с рецептором на поверхности мышечной клетки.Фосфорилирование белков играет центральную роль в контроле не только метаболических реакций, но и многих других клеточных функций, включая рост и дифференцировку клеток.

Рисунок 2.30

Фосфорилирование белков. Некоторые ферменты регулируются добавлением фосфатных групп к ОН-группам боковой цепи серина (как показано здесь), треонина или остатков тирозина. Например, фермент гликогенфосфорилаза, который катализирует превращение (подробнее …)

Платиновый катализатор — обзор

1 ВВЕДЕНИЕ

Комбинированные рутениево-платиновые катализаторы получают с целью использования соответствующих каталитических свойств оба металла.Рутений, способный диссоциировать молекулы водорода, усиливает активность катализатора, а платина предотвращает чрезмерную дезактивацию катализатора. Комбинация рутения и платины особенно выгодна из-за некоторых специфических особенностей: (i) кристаллические частицы Ru-Pt образуются во всем диапазоне составов металлов, (ii) биметаллические кластеры Ru-Pt достаточно стабильны как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере, (iii) оба металла являются эффективными катализаторами во многих интересных реакциях, (iv) Ru и Pt являются легко восстанавливаемыми металлами, и (v) оба металла демонстрируют четко определенную стехиометрию в хемосорбции водорода [1].

Диоксид циркония считается нейтральным носителем из-за его двойных поверхностных характеристик: окислительных или восстановительных и основных или кислотных. Более того, диоксид циркония является более реакционноспособным носителем, чем диоксид кремния и оксид алюминия, и, следовательно, с более сильным взаимодействием металла с носителем.

В этой конкретной работе Ru (NO) (NO 3 ) 3 и H 2 PtCl 6 ⋅ 2H 2 O были выбраны в качестве металлических прекурсоров для их включения на циркониевый носитель. В зависимости от pH в растворе присутствуют различные виды рутения: нейтральные, анионные или катионные комплексы общей формулы [Ru (NO) (H 2 O) x (NO 3 ) 5 -x ] x- 2 [2, 3].В водном растворе платинохлористоводородная кислота подвергается гидратации и гидролизу и ведет себя как слабая кислота с pK a = 3,8 [2, 4].

Анализ TPR позволяет изучить восстанавливаемость, природу и количество или распределение различных восстанавливаемых частиц, присутствующих в образце каталитического предшественника [5–7]. Таким образом, можно изучить взаимодействие металл-носитель, состояние, в котором нанесенные металлы могут находиться в катализаторе, и взаимное влияние на их восстанавливаемость [8, 9].

Гидрогенолиз метилциклопентана (MCP) был использован для изучения каталитической поверхности из-за его чувствительности к дисперсии металлов и электронной структуре [10–14].В зависимости от условий работы и типа катализатора возможно получение продуктов реакций раскрытия цикла, крекинга, расширения кольца и ароматизации в случае кислотных центров в катализаторе [11, 12, 15].

Рутений и платина ведут себя в этой реакции по-разному. Рутений активен при 413 К и показывает высокую гидрогенолитическую способность. Однако платина не может активировать молекулу водорода так же, как рутений, и активна при 493 К. При легировании рутения платиной можно ожидать снижения активности и глубокого гидрогенолиза в пользу селективности по отношению к C 6 [11, 12, 16 ].

Целью данной работы является определение стабилизирующего эффекта платины на металлическую фазу рутения при нанесении на диоксид циркония вместо более традиционных носителей, таких как SiO 2 , Al 2 O 3 или TiO 2 . Также изучается влияние предварительной обработки как для монометаллических рутениевых, так и для биметаллических рутений-платиновых катализаторов.

Катализ в промышленности

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакции, обеспечивая альтернативный путь разрыва и образования связей.Ключом к этому альтернативному пути является более низкая энергия активации, чем та, которая требуется для некаталитической реакции.

Катализаторы часто специфичны для одной конкретной реакции, особенно для ферментов, которые катализируют биологические реакции, например, при ферментации углеводов для производства биотоплива.

Промышленные компании и исследовательские лаборатории университетов проводят много фундаментальных и прикладных исследований, чтобы выяснить, как работают катализаторы, и повысить их эффективность.Если каталитическую активность можно улучшить, можно будет снизить температуру и / или давление, при которых работает процесс, и, таким образом, сэкономить топливо, что является одной из основных затрат в крупномасштабном химическом процессе. Кроме того, можно уменьшить количество реагентов, которые тратятся впустую с образованием нежелательных побочных продуктов.

Если катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, его называют гомогенным катализатором . С другой стороны, гетерогенный катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов и продуктов, и его часто предпочитают в промышленности, поскольку он легко отделяется от продуктов, хотя он часто менее специфичен и позволяет протекать побочным реакциям.

Гетерогенный катализ

Наиболее распространенные примеры гетерогенного катализа в промышленности включают реакции газов, проходящих по поверхности твердого тела, часто металла, оксида металла или цеолита (Таблица 1).

Таблица 1 Примеры промышленных процессов с использованием гетерогенного катализа.

Молекулы газа взаимодействуют с атомами или ионами на поверхности твердого тела. Первый процесс обычно включает образование очень слабых межмолекулярных связей, процесс, известный как физисорбция, за которым следует образование химических связей, процесс, известный как хемосорбция.

Физисорбцию можно сравнить с физическим процессом, например с разжижением. Действительно, изменения энтальпии, которые происходят при физической адсорбции, составляют примерно от -20 до -50 кДж моль -1 , аналогично изменениям энтальпии, когда газ конденсируется с образованием жидкости. Энтальпии хемосорбции аналогичны значениям, найденным для энтальпий реакции. У них очень широкий диапазон, как и у некаталитических химических реакций.

Примером ступенчатых процессов, которые происходят при гетерогенном катализе, является окисление моноксида углерода до диоксида углерода над палладием.Это очень важный процесс в повседневной жизни. Автомобили оснащены каталитическими нейтрализаторами. Они состоят из металлического корпуса, в котором два металла, палладий и родий, очень тонко диспергированы на поверхности керамической основы, напоминающей соты из отверстий. Преобразователь размещается между двигателем и выходом выхлопной трубы.

Выхлопные газы содержат монооксид углерода и несгоревшие углеводороды, которые реагируют с избыточным кислородом с образованием диоксида углерода и водяного пара, причем реакция катализируется в основном палладием:

Выхлопные газы также содержат оксид азота (II) (оксид азота, NO), который удаляется реакциями, катализируемыми главным образом родием:

Принятый механизм окисления окиси углерода до двуокиси углерода включает хемосорбцию как молекул окиси углерода, так и молекул кислорода на поверхности металлов.Молекулы адсорбированного кислорода диссоциируют на отдельные атомы кислорода. Каждый из этих атомов кислорода может объединяться с хемосорбированной молекулой монооксида углерода с образованием молекулы диоксида углерода. Затем молекулы диоксида углерода десорбируются с поверхности катализатора. Эти шаги показаны на Рисунке 1.

Рисунок 1 Механизм окисления окиси углерода.

Каждая из этих стадий имеет намного более низкую энергию активации, чем гомогенная реакция между монооксидом углерода и кислородом.

Удаление монооксида углерода, несгоревших углеводородов и оксида азота (II) из выхлопных газов автомобилей и грузовиков очень важно, поскольку эта смесь приводит к фотохимическому смогу, который усугубляет респираторные заболевания, такие как астма.

Платина, палладий и родий используются, но это очень дорогие металлы, и каждый из них действительно дороже золота. В последнее время много работы было посвящено созданию катализаторов с очень маленькими частицами металлов, что является примером достижений нанотехнологий.

Это не просто способность поверхности гетерогенного катализатора взаимодействовать с молекулами реагента, хемосорбция, что делает его хорошим катализатором. Если адсорбция является слишком экзотермической, т.е. энтальпия хемосорбции слишком высока, дальнейшая реакция, вероятно, будет слишком эндотермической, чтобы протекать. Энтальпия хемосорбции должна быть достаточно экзотермической, чтобы происходила хемосорбция, но не настолько высокой, чтобы не допустить протекания дальнейшей реакции. Например, при окислении монооксида углерода молибден на первый взгляд может быть предпочтительным выбором, поскольку кислород легко хемосорбируется металлом.Однако образующиеся атомы кислорода не вступают в дальнейшую реакцию, поскольку они слишком сильно адсорбируются на поверхности. Платина и палладий, с другой стороны, имеют более низкие энтальпии хемосорбции с кислородом, и тогда атомы кислорода могут далее реагировать с адсорбированным монооксидом углерода.

Еще один момент, который следует учитывать при выборе катализатора, заключается в том, что продукт не должен иметь возможность слишком сильно адсорбироваться на его поверхности. Двуокись углерода не адсорбируется на платине и палладии, поэтому быстро десорбируется в газовую фазу.

Свидетельством важности катализа сегодня является присуждение Нобелевской премии по химии в 2007 году Герхарду Эртлю за его работу по выяснению, среди других процессов, механизма синтеза аммиака (процесс Габера):

Эртль получил важные доказательства того, как железо катализирует диссоциацию молекул азота и водорода, приводящую к образованию аммиака.
(Рисунок 2):

Рисунок 2 Механизм каталитического синтеза аммиака.

На рис. 3 показано, как барьеры энергии активации намного ниже, чем расчетный барьер энергии активации (который должен составлять не менее 200 кДж / моль) для некаталитического синтеза аммиака.


Рис. 3 Энергетические барьеры активации реакций, протекающих при каталитическом синтезе аммиака.

Общие требования к гетерогенному катализатору

Чтобы быть успешным, катализатор должен позволять реакции протекать с подходящей скоростью в условиях, которые являются экономически желательными, при как можно более низких температуре и давлении.Он также должен быть длительным. Некоторые реакции приводят к появлению нежелательных побочных продуктов. Например, при крекинге газойля образуется углерод, который откладывается на поверхности катализатора, цеолита, и приводит к быстрому ухудшению его эффективности. Многие катализаторы склонны к отравлению, которое происходит, когда примесь прикрепляется к поверхности катализатора и препятствует адсорбции реагентов. Незначительные следы такого вещества могут испортить процесс. Одним из примеров является диоксид серы, который отравляет поверхность платины и палладия.Таким образом, все следы соединений серы должны быть удалены из бензина, используемого в автомобилях с каталитическими нейтрализаторами.

Кроме того, твердые катализаторы намного более эффективны, если они тонко измельчены, поскольку это увеличивает площадь поверхности.

Рисунки 4 и 5 Два способа увеличения площади поверхности катализатора.

На рисунке 4 платино-родиевый сплав (используемый при производстве азотной кислоты) имеет форму очень тонкой проволоки, из которой соткана сетка.
С любезного разрешения Johnson Matthey.
На рисунке 5 оксид ванадия (V) (используемый при производстве серной кислоты) был получен в форме ромашки.
С любезного разрешения Haldor Topsøe A / S.


При высоких температурах частицы мелкодисперсного катализатора имеют тенденцию сливаться вместе, и порошок может «спекаться», процесс, известный как спекание . Это снижает активность катализатора, и необходимо принять меры, чтобы этого избежать.Один из способов — добавить другое вещество, известное как промотор . Когда железо используется в качестве катализатора в процессе Габера, добавляется оксид алюминия, который действует как барьер для плавления металлических частиц. Добавляется второй промотор, оксид калия, который, по-видимому, вызывает более легкую хемосорбцию атомов азота, тем самым ускоряя самую медленную стадию в схеме реакции.

Рис. 6 Платино-родиевая сетка используется в качестве катализатора в реакции между аммиаком и метаном для получения цианистого водорода, промежуточного продукта при производстве метил-2-метилпропеноата.Сетка работает при температуре 1270 К и поэтому светится. Фотография сделана через смотровое стекло, расположенное на реакторе.

Оксид алюминия, диоксид кремния, алюмосиликаты и цеолиты

Одной из наиболее важных реакций, в которых оксид алюминия , Al 2 O 3 , (часто называемый оксидом алюминия), принимает участие в промышленной реакции, является платформинг, в котором нафта реформируется над оксидом алюминия, пропитанным платиной. или рений.И оксид, и металлы играют каталитическую роль, что является примером бифункционального катализа. На поверхности оксида алюминия имеются гидроксильные группы, которые, по сути, являются отрицательно заряженными центрами, к которым присоединен ион водорода, который может действовать как кислотный катализатор.

Диоксид кремния (диоксид кремния) — еще один кислотный оксид, используемый в промышленности. Он становится особенно активным, если покрыт кислотой (например, фосфорной кислотой), тем самым увеличивая количество активных кислотных центров.Например, производство этанола достигается путем гидратации этена с использованием диоксида кремния, покрытого фосфорной кислотой:


Механизм включает образование карбокатиона (рисунок 7):

Рис. 7 Механизм гидратации этена в этанол.


Алюмосиликаты также используются в качестве катализаторов, когда требуется кислотный центр. Они сделаны из диоксида кремния (кремнезема) и оксида алюминия. Они содержат силикат-ионы SiO 4 4-, которые имеют тетраэдрическую структуру, которая может быть связана между собой несколькими способами.Когда некоторые из атомов Si заменяются атомами Al, в результате получается алюмосиликат. Ионы водорода снова связаны с атомами алюминия:

Цеолитные катализаторы

Особый класс алюмосиликатов, вызвавший огромный интерес в последние годы, — это цеолиты. Существует много разных цеолитов из-за различного расположения атомов. Их структура из силикатных и алюминатных ионов может иметь большие свободные пространства в трехмерных структурах, которые дают место для катионов, таких как натрий и кальций, и молекул, таких как вода.Пространства связаны между собой и образуют длинные каналы и поры, которые имеют разный размер в разных цеолитах.

Рисунок 8 Структура цеолита (пример рисунка)


Цеолит, который обычно используется во многих каталитических реакциях, представляет собой ZSM-5, который получают из алюмината натрия (раствор оксида алюминия в водном гидроксиде натрия) и коллоидного раствора диоксида кремния, гидроксида натрия, серной кислоты и бромида тетрапропиламмония.

Это, например, очень эффективный катализатор для превращения метилбензола (толуола) в три диметилбензола (ксилолы).Увы, полученная смесь содержит только около 25% 1,4-диметилбензола (п-ксилола), изомера, необходимого для производства сложных полиэфиров, а остальные 1,2- (о-ксилола) и 1,3-диметилбензолов ( м-ксилол), не требуется в таких больших количествах.


Однако, если цеолит промыть фосфорной кислотой и сильно нагреть, мельчайшие частицы оксида фосфора (V) откладываются на поверхности, делая поры немного меньше. Это ограничивает диффузию 1,2- и 1,3-изомеров, и они удерживаются в порах до тех пор, пока не превратятся в 1,4-изомер и не смогут выйти (рис. 9).

Эта замечательная селективность позволяет увеличить выход 1,4-изомера с 25% до 97%.

Рис. 9 Цеолит, действующий как молекулярное сито и катализатор во время образования 1,4-диметилбензола из метилбензола.

Способность цеолита адсорбировать одни молекулы и отклонять другие дает ему способность действовать как молекулярное сито. Например, при производстве этанола из этена или из биомассы получают водный раствор этанола, в котором 4% воды все еще присутствует даже после повторных дистилляций.Дальнейшая очистка этанола требует использования цеолита, который предпочтительно поглощает воду. В таблице 2 приведены примеры промышленных процессов с использованием цеолитов.

Таблица 2 Примеры промышленных процессов с использованием цеолитов.

Катализаторы бифункциональные

Бифункциональные катализаторы способны, как следует из названия, катализировать превращение одного соединения в другое, используя два вещества на поверхности.

Например, при риформинге нафты (смеси алканов с прямой цепью, содержащих 6-10 атомов углерода) используется бифункциональный катализатор.Самый известный из них — это пропитка платиной поверхности оксида алюминия, и в этом процессе и металл, и оксид играют свою роль. Как можно видеть (рис. 10), первым этапом является дегидрирование алканов до алкенов, катализируемое металлом, за которым в конечном итоге следует адсорбция молекул алкена на оксиде алюминия. Поскольку задействована платина, реформинг иногда называют платформой . Водород обеспечивает последующую реакцию образующихся алкенов и циклоалкенов с водородом с образованием насыщенных соединений.

В этом примере бутан дегидрируется до бутена.

Рис. 10 Механизм преобразования бутана в 2-метилпропен (изобутен).

Разветвленная молекула алкена десорбируется в газовую фазу до тех пор, пока она не реадсорбируется на участке металла, где она гидрируется с образованием разветвленного алкана, 2-метилпропана (изобутана), который затем десорбируется в газовую фазу.

В промышленном процессе пары нафты проходят над платиной и рением ( около 0.По 3%), которые тонко диспергированы над оксидом алюминия.

Считается, что рений играет интересную роль. Если соединение серы может проходить по поверхности катализатора, оно предпочтительно адсорбируется рением. Если соединения серы не удаляются, происходят реакции, приводящие в конечном итоге к образованию углерода, который вызывает заметное снижение активности катализатора.

Разветвленные алканы имеют гораздо более высокое октановое число, чем алканы с прямой цепью. Теперь не только алканы разветвляются, но также образуются циклоалканы и из них ароматические углеводороды.Все три класса углеводородов имеют более высокое октановое число, чем нафта. Помимо оксида алюминия и диоксида кремния, другие оксиды являются важными катализаторами. Например, в контактном процессе, используемом для производства серной кислоты, катализатором окисления диоксида серы до триоксида серы является оксид ванадия (V) на поверхности диоксида кремния:


Сульфат калия добавлен в качестве промотора. Его механизм действия не совсем ясен, но, похоже, это связано с тем, что его присутствие снижает температуру плавления катализатора и позволяет ему растекаться в виде очень тонкого слоя по всей поверхности.

Несколько важных промышленных процессов катализируются смешанными оксидами металлов. Поверхности содержат два или более различных атома металла, ионы O 2- и группы -ОН. Они особенно полезны при окислении углеводородов, где требуется избирательное окисление. Например, пропен можно окислить до пропеналя (акролеина), используя смесь оксидов висмута (III) и молибдена (VI).

Без катализатора пропен окисляется до большого количества органических соединений, включая метаналь и этаналь, и в конечном итоге образует диоксид углерода.Атомы кислорода на поверхности оксида молидена (VI) не очень реакционноспособны, избирательно реагируя с пропеном и разрывая самую слабую связь в алкене с образованием аллильного радикала:

Рисунок 11 Окисление пропена

Затем аллильный радикал окисляется на поверхности с образованием пропеналя. Предполагается, что аллильный радикал окисляется атомом кислорода, который адсорбируется на участке молибдена. Другой атом кислорода, адсорбированный на участке висмута, затем переносится на участок восстановленного молибдена, чтобы заменить этот кислород.Для завершения цикла существует компенсирующий перенос электронов.

Этот же катализатор используется также для производства пропенонитрила:

Гомогенный катализ

Гомогенные катализаторы реже используются в промышленности, чем гетерогенные катализаторы, поскольку по завершении реакции их необходимо отделить от продуктов, что может быть очень дорогостоящим.

Таблица 3 Примеры промышленных процессов с использованием гомогенного катализа.

Однако есть несколько важных промышленных процессов, которые катализируются гомогенно, часто с использованием кислоты или основания (таблица 3).

Одним из примеров является производство этан-1,2-диола из эпоксиэтана, где катализатор представляет собой следы кислоты:

Рис. 12 Механизм образования этан-1,2-диола из эпоксиэтана.

В механизме этой реакции ион водорода добавляется в начале и теряется в конце. Ион водорода действует как катализатор.

Два других примера относятся к производству 2,2,4-триметилпентана из 2-метилпропена, опять же с использованием кислоты в качестве катализатора. Один использует 2-метилпропан (таблица 3), который непосредственно дает алкан. Другой использует только 2-метилпропен.

Механизм реакции также включает добавление иона водорода к реагенту (рис. 13).

Рис. 13 Часть механизма образования 2,4,4-триметил-2-пентена из 2-метилпропена.

Затем алкен гидрируют с использованием никеля в качестве катализатора до 2,2,4-триметилпентана (изооктана):


2,2,4-триметилпентан часто добавляют в бензин, чтобы улучшить его антидетонационные свойства, теперь, когда прекращается использование метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ).

Катализаторы реакций полимеризации

Катализаторы Циглера-Натта

Катализаторы Циглера-Натта — это металлоорганические соединения, которые действуют как катализаторы при производстве поли (этена) и поли (пропена).За свою работу по производству полиалкенов Карл Цигелер и Джулано Натта были удостоены Нобелевской премии по химии в 1965 году. Катализаторы готовятся из соединений титана с триалкилом алюминия, который действует как промотор:

Используемые алкильные группы включают этил, гексил и октил.

Роль титанового катализатора можно представить, как показано на рисунке 14.

Алкеновый мономер, например этен или пропен, присоединяется к пустому координационному сайту на атоме титана, и эта молекула алкена затем вставляется в углерод-титановую связь, чтобы удлинить алкильную цепь.Затем этот процесс продолжается, образуя линейный полимер, поли (этен) или поли (пропен).

Полимер осаждается, когда катализатор разрушается при добавлении воды. Поскольку он является линейным, молекулы полимера могут плотно упаковываться вместе, что придает полимеру более высокую температуру плавления и плотность, чем у поли (этена), полученного радикальным инициированием.

Рисунок 14, иллюстрирующий роль катализатора Циглера-Натта.

Катализаторы Циглера-Натта не только позволяют получать линейные полимеры, но также могут обеспечивать стереохимический контроль.Пропен, например, может полимеризоваться, даже будучи линейным, тремя способами с образованием атактического, изотактического или синдиотактического поли (пропена).

Однако этот катализатор позволяет вводить пропен только одним способом и получать изотактический полипропилен.

Еще больший контроль полимеризации достигается при использовании нового класса катализаторов — металлоценов.

Радикальная полимеризация

Многие полимеры производятся с использованием радикальных инициаторов, которые действуют как катализаторы (Таблица 4).Например, полимеризация хлорэтилена начинается с его нагревания с помощью небольшого количества пероксида (R-O-O-R):

Рис. 15. Механизм свободнорадикальной полимеризации хлорэтилена в поли (хлорэтен).

В случае этена при использовании свободнорадикального процесса полученный полимер имеет более низкую плотность и более низкую температуру размягчения, чем поли (этен), полученный с использованием катализатора Циглера-Натта или оксида металла. Поли (этен) низкой плотности, LDPE, имеет боковые цепи, потому что радикалы реагируют не только с молекулами этена путем присоединения, но также и с молекулами полимера посредством процесса, известного как отвод водорода.Полимерный радикал также может отщеплять атом водорода от собственной цепи:

Обе эти реакции приводят к появлению боковых цепей, поэтому молекулы полимера не могут упаковать друг друга обычным образом. Таким образом, полимер имеет более низкую температуру плавления и более низкую плотность.

Таблица 4 Примеры полимеров, полученных с использованием свободнорадикальной полимеризации

Ждем вперед

Поиск катализаторов по-прежнему будет одним из важнейших приоритетов для химической промышленности, поскольку она стремится проводить процессы при как можно более низкой температуре и давлении, близком к атмосферному, соизмеримому с разумной скоростью реакции.

Выгоды от улучшения катализаторов являются как финансовыми, так и экологическими, что приводит к снижению затрат на топливо, например, при производстве метанола, и сокращении вредных отходящих газов, например, при производстве этановой кислоты. Аналогичным образом бензол и пропен превращаются в кумол при производстве фенола с использованием цеолитного катализатора вместо хлорида алюминия. Это означает, что используются более низкие температуры и давления, а производимые сточные воды намного чище.

Кроме того, ищутся катализаторы, которые будут отдавать предпочтение одной конкретной реакции по сравнению с другой, что снова делает процесс намного более экономичным.Есть преимущества, если можно использовать катализатор, а не другое химическое вещество, которое принимает стехиометрическое участие в реакции и не может быть восстановлено и повторно использовано. Например, хлорид алюминия в течение многих лет использовался для осуществления реакции между бензолом и длинноцепочечным алкеном при производстве алкилбензолсульфонатов, активного поверхностно-активного вещества во многих детергентах. Хлорид алюминия нельзя было переработать, и он превратился в отходы в виде гидроксида и оксида алюминия. Теперь используется твердый цеолитный катализатор с кислотными группами, который можно использовать снова и снова без отходов.

Другой подобный пример — производство одного из наиболее важных полимеров, используемых для изготовления тканей, полиамида 6 (иногда известного как нейлон 6). В этом процессе циклогексанон превращается в капролактам через оксим (образуемый реакцией кетона с гидросульфатом гидроксиламина). Оксим изомеризуется серной кислотой до капролактама, а сульфат аммония образуется как побочный продукт.