请问催化剂的催化原理是什么
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发布时间：2023-04-13 18:08
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热心网友
时间：2023-04-22 11:54
催化的本质就是：在不同的催化剂上化学反应的速率不同。
催化剂可以促进反应进行，也可以抑制反应进行。
催化剂的三大性质：（1）催化活性（2）特定反应选择性（3）本身稳定性。【如果你想讨论任何一个催化剂，这三大性质都是跑不掉的。全部讨论清楚了才算一个比较系统的工作】。
电子可以作为“反应物”，但这是电荷转移反应的内容了。具体理论可以看Marcus Theory。
Oh, By the way，很多催化剂在经过几次“催化”之后就变得面目全非了（我们现在课题组正在研究这样的一种材料，希望搞清楚里面究竟发生了什么事情）。所以催化剂并不是“压根不变”的。而且如果反应中有一些毒化物种（例如CO等），那么它就会毒化催化剂的表面。在纳米粒子催化剂以及电催化剂当中，表面的重构屡见不鲜的。（不过在高中阶段，以课本为主）
要想弄清催化剂在催化反应中所起的作用（也就是你题目中的问题），以下几个基础必须得事先弄清楚：
（1）如何描述化学键/化学反应中的相互作用（van der Waals（范德华作用），静电作用，电场-偶极子耦合作用，etc.）【如果想从数学、物理的角度来理解这件事请，你必须先学习量子力学、再学量子化学、最后学到固体物理、能带理论才能真正对其中的变化有所了解。在这里强烈推荐了解一下Anderson-Newns Model以及提到的d-band theory，这个理论的目的也很容易理解：就是找一个数来帮我们对催化剂的好坏进行排序，如果按照数字大小的排序可以与实验得到的结论一致，那么我们就可以通过计算某一个催化剂对应的“数”，来了解它的催化活性。这当然是很粗略的，还有很多的细节我们应该考虑进去。】
（2）化学反应的机理（这个化学反应是怎样发生的）。【对于这块内容可以看看过渡态理论（Erying的），Marcus Theory（物理很重要，数学对于高中生来说也是很好理解的），以及DFT中的NEB方法，看看通过现在最新的理论方法可以如何探究反应的路程（如果你感兴趣可以查查这本书《Fundamentals of Heterogeneous Catalysis》）。】
而将催化剂加入了反应体系之后，可能改变的有：（1）反应路径（2）相同反应的活化能。
如果催化剂可以使得反应中的某一个活泼中间物稳定下来，那么整个反应就有可能向某一个方向进行（这就是催化剂可以提高化学反应的选择性的一个例子，感兴趣可以参考有机化学。因为有机化学中，高选择性、高产率是他们追求的目标。）
如果催化剂可以使得基元反应的过渡态稳定，那么它可以使基元反应的活化能降低，从而提升反应的速率。
对于催化学科来说，催化剂的分类可以分成两类：（1）均相催化剂【例如小分子催化剂、酶催化剂】（2）异相催化剂【例如金属表面、半导体、各种纳米尺度的催化剂】。
发生催化反应的外界环境可以分成：（1）气相（2）液相两种【这是两种常用的，当然固相或者其他物态中的催化也是有的，不过研究的相对较小众罢了。】
对于气相中的反应，以自由基为主要中间物，这一部分
已经讲的很多了，可以参考他的回答。我主要讲一下液相中的催化过程，因为自己做过一些这方面的工作，所以可以简单介绍一下。
上面说了，催化剂的作用有两个：（1）改变反应路径（2）降低反应能垒。（这是对正催化剂而言的，就是提高反应活性、反应选择性的）。但是在水溶剂中，如果一个物质有-O-H键，-N-H键，那么它会与水形成氢键；而水本身也会形成氢键网络，因此这时水的存在就会影响反应中间态的吸附能量（我们将这个变化成为吸附能）。当然要计算这个吸附能具体的大小其实是很困难的，当然这是很technical的东西了。与催化并没有什么关系。
对于溶液相中的电荷转移来说，是反应物的溶剂化层经过重组到达过渡态，在过渡态时电子从电极/其他分子上跃迁到反应分子上，之后产物分子的溶剂化层经过二次重构达到最稳定的状态。这时Marcus Theory的精神所在。而且Marcus在论文中用了很长的篇幅来讨论reorganization energy（重构化能）。从这里我们也可以看出，当反应中考虑了电子的存在后，催化反应就从异相催化反应过渡到了电催化反应。
关于电催化反应的相关理论对于高一的学生来说就比较艰深了，不过如果你有兴趣的话，可以关注我的专栏，我会时不时在上面总结一些电催化理论相关的内容。
