催化反應的基本原理精選(九篇)

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第1篇：催化反應的基本原理范文

關鍵詞：高中化學教材;化學動力學;內容選取的比較;內容編排的比較

文章編號：1008-0546（2014）12-0055-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.022

化學動力學是研究化學反應速率和反應機理的物理化學分支學科[1]，主要通過研究化學反應發生的具體過程和路徑，認識化學反應從開始到完成的各個步驟（反應歷程），從而探究出化學反應速率的大小及其影響因素，找到控制反應速率的方法，并將其應用到工業生產中，以滿足工業生產的需要。化學動力學的研究對化工領域、化學、醫學和食品等學科的發展具有重要意義。

高中階段化學動力學的內容主要包括化學動力學基本理論和催化反應動力學的一些基礎知識，是學生認識化學反應機理的基礎，也是學生認識化學工業的起點。這部分內容看似簡單，但是其蘊含的學科思維的教學價值不容忽視。通過這部分內容的學習，學生可以在明確化學變化的基礎上，認識化學變化所遵循的基本原理和規律以及化學變化與時間的定量關系，建立對化學反應規律的微觀認識，形成化學學科思維，了解到化學反應原理對科學技術和社會發展所起的重要作用，能對生產、生活和自然界中有關化學變化的現象進行合理的解釋，增強探索化學反應原理的興趣。

高中學生學習化學動力學部分內容的主要媒介是高中化學教材，教材中這部分內容的選取和編排直接影響學生的學習效果。世界發達國家高中化學教材在化學動力學的內容設計上特點各異。本文對中美德三國高中化學教材中化學動力學內容的選取、編排和呈現特點進行了比較研究，并根據我國的教育現狀和學情批判性地借鑒國外高中化學教材中這部分內容設計的可取之處，希望可以為我國高中化學動力學部分的教學及教材編寫提供反思和參考。

一、內容選取的比較[2]

本文選取的研究對象依次是：人民教育出版社2007年出版的《化學2（必修）》[3]，《化學反應原理（選修4）》[4]（中國）;Glencoe/ McGraw-Hill出版公司2009年出版的Chemistry：Concepts and Application[5]（化學：概念與應用）（美國）;巴伐利亞教育出版社2009年出版的GALVANI Chemie 11?Ausgabe B[6]（德國）。

高中化學教材中化學動力學的內容主要包括化學動力學基本理論和催化反應動力學兩部分。中美德三國高中化學教材中化學動力學的內容選取見表1。

1. 化學動力學基本理論內容選取的比較

高中化學教材中的化學動力學基本理論主要包括化學反應速率和反應速率理論兩部分，從表1中可以看出：在化學反應速率內容的選取上，三個國家的高中化學教材中都選取了化學反應速率的定義、影響反應速率的因素及其規律。中國和德國的高中化學教材中選取的內容還包括：化學反應速率的表達式、計算、單位和實驗測量。此外，德國高中化學教材中選取的內容還包括：平均反應速率，瞬時反應速率，離散程度的概念模型和RGT規則。

在反應速率理論內容的選取上，三個國家各不相同，德國高中化學教材選取的內容包括：碰撞理論和過渡態理論，其中碰撞理論介紹了化學反應發生的三個條件，分別是粒子必須發生碰撞、粒子必須具備一定的能量和粒子的碰撞必須在一定方向上;過渡態理論介紹了過渡態、放熱反應的過渡態能量曲線圖和活化能。中國高中化學教材選取的內容包括：簡化后的有效碰撞模型，化學反應發生的兩個條件，即分子必須發生碰撞（充分條件）和有效碰撞（必要條件）;過渡態理論中只選取了活化分子和活化能兩個概念，并沒有介紹過渡態理論的內容。美國高中化學教材選取的內容只有活化能，在此基礎上介紹了化學反應發生的條件，即分子碰撞時必須具備一定的能量，理論要求較低。

2. 催化反應動力學內容選取的比較

高中化學教材中的催化反應動力學主要包括催化劑、酶和抑制劑三方面的內容，從表1中可以看出：在催化劑內容的選取上，三個國家的高中化學教材都選取了催化劑的概念、性質和催化作用原理。不同的是德國高中化學教材中還詳細介紹了催化作用的兩種方式，即均相催化和多相催化;在生物催化劑――酶的內容選取上，中國和美國的高中化學教材比較相似，選取的內容主要有：酶的概念、性質和實際應用;德國高中化學教材選取的內容主要有：酶的概念、性質，酶-底物復合物，酶的作用方式（模型），作用特異性，底物特異性，酶活性的影響因素以及酶的實際應用;在抑制劑內容的選取上，只有美國和德國高中化學教材中選取了抑制劑的概念和實際應用，此外德國高中化學教材中還介紹了三種類型的抑制作用及其特點。由此可以看出德國高中化學教材比較重視催化反應動力學這一部分，選取的內容比較全面。

二、內容編排和呈現的比較[7]

如何編排和呈現教材內容是編制教材中非常重要的一個方面。中美德三國高中化學教材中化學動力學內容的章節分布如表2所示。

從表2中可以看到：中美德三國高中化學教材中化學動力學內容的編排順序大體相同，都是在介紹化學反應速率概念的基礎上，介紹外界因素對反應速率的影響及其應用，最后介紹催化反應動力學的內容;但是反應速率理論的內容在三國高中化學教材中的編排各不相同。各國高中化學教材中化學動力學部分的編排和內容呈現的具體情況如下：

中國高中化學教材中化學動力學的內容編排在兩本教材中，必修2中首先介紹化學反應速率的定義，然后通過實驗定性地介紹溫度和催化劑對反應速率的影響，最后在科學視野中簡單介紹催化劑和酶及其應用;選修4在此基礎上，首先在緒言部分簡單地介紹碰撞理論、活化分子和活化能，然后在第二章中定量地介紹反應速率的表達式，并呈現了測量反應速率的實驗，最后進一步通過實驗探究影響反應速率的因素及其規律，并從微觀角度結合活化分子百分數和有效碰撞頻率給予解釋。因此中國高中化學教材中化學動力學部分采取螺旋式上升的編排方式。

美國高中化學教材中化學動力學的內容編排在第六章第3節的反應速率這一小標題中，首先在介紹活化能的基礎上，從能量角度引出了化學反應發生的條件，即分子碰撞必須具備一定的能量;然后通過生活實例定性地介紹化學反應速率的概念和外界因素對反應速率的影響及其規律;最后介紹催化劑和抑制劑，其中重點介紹酶及其在生命體內的重要作用，簡單介紹抑制劑的作用和實際應用。

德國高中化學教材中化學動力學的內容編排在第七章“反應速率和酶的催化作用”，共有十小節內容，第1節定量地介紹化學反應速率，通過測定鹽酸和鎂反應生成的氣體體積這一實驗，繪制出氣體體積――時間曲線，然后讀取相應時間上的氣體體積，利用圖解法計算平均反應速率，理解瞬時反應速率，呈現了定量計算化學反應速率的科學方法和具體過程。第2節從微觀角度全面地呈現碰撞理論和過渡態理論的內容，并解釋化學反應發生的條件和過程。之后從第3節到第5節通過設計探究實驗依次介紹了固體表面積、濃度和溫度對反應速率的影響及其規律，并運用模型和反應速率理論來解釋各因素的影響規律，其中溫度對反應速率的影響規律用RGT規則表示，即溫度每升高10℃，反應速率提高一倍，此外還介紹了各因素的影響規律在生活和生產實例中的應用。第6節在介紹活化能的基礎上，解釋催化劑提高反應速率的原因，然后介紹催化劑、催化作用的兩種方式及其過程和實例。最后從第7節到第9節詳細介紹酶，依次介紹了酶的概念和性質、酶的作用方式和酶活性的影響因素，并呈現了酶在食品工業和生物分析中的應用實例。第10節介紹抑制劑的概念、作用和三種類型的抑制作用及其特點，在章末以概念圖的形式展示本章知識點之間的聯系。由此可以看出德國高中化學教材中化學動力學部分的內容體系完整，并以直線型編排。

三、結論

通過分析和比較中美德三國高中化學教材中化學動力學的內容選取、編排和呈現，得到以下結論：

（1）在化學動力學內容的選取上，德國高中化學教材既重視化學動力學基本理論部分，也重視催化反應動力學部分，整體內容選取的較系統;中國高中化學教材比較重視化學動力學基本理論的內容，淡化催化反應動力學的內容;美國高中化學教材中化學動力學部分的內容不僅少而且簡單。

（2）在化學動力學內容的編排和呈現上，德國高中化學教材以直線型編排，通過展示學習知識的科學方法和過程，深入透徹地講解概念和原理，而且通過一些生產生活實例和插圖來體現知識的實用性，并在章末以概念圖的形式展示本章知識點之間的聯系，整體結構比較完整，有利于學生初步建立起化學動力學的知識體系;中國高中化學教材則采取螺旋式上升的編排方式，但是應用方面的內容不足，與現實生活有些脫節;美國高中化學教材是通過生活實例或者創設情境來編排和呈現教材內容，并重視知識的應用價值。

四、啟示

普通高中化學課程標準中規定，化學教學要體現課程改革的基本理念，引導學生積極主動地學習，掌握最基本的化學知識和技能，了解化學科學研究的過程和方法;在實際教學過程中要盡量聯系生產、生活實際，幫助學生拓寬視野，開闊思路，也要發揮實驗的教育功能，重視探究學習活動，發展學生的科學探究能力。高中化學教材要為課程改革和教學服務，在分析和了解了中美德三國高中化學教材中化學動力學內容設計的特點之后，結合我國的教育現狀及課程標準中化學動力學部分的內容標準，批判性地借鑒國外高中化學教材中化學動力學部分內容設計的可取之處，對我國高中化學教材中化學動力學內容的編寫和實際教學提出如下啟示：

（1）在化學動力學內容的選取上，我國應將與生活密切相關的催化劑和酶的知識以及應用實例更加豐富地編入高中化學教材;在化學動力學內容的編排和呈現上，我國高中化學教材應重視化學知識產生過程的呈現和科學方法的運用，為培養學生的科學思維能力提供真實的情境。

（2）在實際教學過程中，教師對于催化劑的應用案例應更加貼近時代和生活，讓學生體驗和認識到化學科學對人類生活的真實影響以及化學知識的實用性;還應注重從學生認知規律的角度出發，創設更多真實情境或生活實例來呈現化學動力學基礎理論和催化劑的內容，使學生對知識的認識從感性認識逐漸上升到理性認識。

參考文獻

[1] 天津大學物理化學教研室. 物理化學（下冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2009：507

[2] 田紅，周青，楊輝祥. 英國“Advanced Chemistry”教材有機化學內容編排的評析[J].化學教育，2008，（3）：10-12

[3] 課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書化學2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：47-50

[4] 課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書化學反應原理（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：2-4，16-24

[5] John S. Phillips，Victor S. Strozak，Cheryl Wistrom，et al. Chemistry：Concepts and Applications[M]. New York：Glencoe /McGraw-Hill companies，2009：216-221

第2篇：催化反應的基本原理范文

關鍵詞：工業催化；化學工藝學；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0145-02

一、課程教學基本情況

石河子大學對化學工程與工藝專業和應用化學本科專業開設了《化學工藝學》，該課總學時36，總學分2，教材選用的是朱志慶和房鼎業編審、化學工業出版社出版的2013版《化學工藝學》。課程設置的目的是培養從事化工生產領域的設計、運行與研究開發工作的高級工程技術人才。

二、理論教學環節的改革

1.課程內容的改革。催化技術是現代化學工業的基礎，80%以上的化學工業的生產需要使用催化劑。《化學工藝學》教材中幾乎每一章都涉及不同類型的催化劑，然而大多數同學對工業催化劑及其應用條件還不太了解。因此本書中介紹了工業催化劑的類型、制備方法及其原理，使同學們對工業催化有直觀的認識，在本書的緒論部分我們有針對性地介紹了一些不同種類催化劑的基礎知識。

多相催化反應的共同特點是反應物在催化劑表面通過化學吸附生成活性中間體，在催化劑催化作用下，活性中間物進行化學反應生成產物，產物從催化劑表面脫附，催化劑得以復原。通常用“/”來區分載體與活性組分，如Ru/Al2O3表示釕負載在氧化鋁載體上，Pt/SiO2則表示鉑負載在氧化硅載體上。用“-”來區分各活性組分及助催化劑，如Pt-Sn/Al2O3表示鉑和錫雙金屬催化劑負載在氧化鋁載體上。通過這部分知識的學習，在教材中遇到不同催化劑時，同學們就能夠自己進行判斷：這種工業催化劑的活性組分是什么？載體用的是什么材料？一般來說，工業催化劑是一種多相化學反應過程，要求催化劑具有適宜的活性、高選擇性和長的壽命，讓同學們對工業催化劑有更加直觀的了解。工業催化劑種類眾多，制備方法各異，并且工業催化劑一般裝填量巨大，因此給同學們介紹工業催化劑的制備方法是非常重要的。常用固體催化劑的制備方法有沉淀法、浸漬法、混合法、熔融法、瀝濾法等。其中沉淀法和浸漬法是常用的制備方法，沉淀法是在含金屬鹽類的溶液中，加入沉淀劑，以便生成水合氧化物或碳酸鹽的結晶或凝膠，再將生成的沉淀分離、洗滌、干燥和焙燒。浸漬法制備催化劑有所不同，首先制備催化劑載體，載體是一種多孔的吸附材料，再將待負載組分的可溶性化合物溶解在水或溶劑中，配制成一定濃度的浸漬液，用配置好的浸漬液與載體混合，吸附一定時間，濾去過剩溶液，固體經過干燥、煅燒和還原后制得負載型催化劑。固體催化劑最終都是以一定形態和尺寸在反應器中使用，這是為了使氣體通過床層時不至于產生過大的壓降，使氣液在催化劑床層分布均勻。此外，工業催化劑還需承受搬運、裝填和操作過程中氣流沖擊等破壞。這要求催化劑具有一定的機械強度，因此催化劑成型是非常重要和必要的單元操作。通常工業催化劑有柱狀、球形、三葉草和空心形狀等。在成型方式上，一般可分為自給造粒成型和強制造粒成型，自給造粒成型包括滾動成球、噴動床成球等。強制造粒成型有壓片、擠條、破碎、滴液、噴霧干燥等。如Al2O3是最廣泛使用的催化劑載體，其加入粘結劑后具有較好的塑性，可通過擠條的方法成型――類似于壓面條的方法，一定粘度的Al2O3塑性體通過擠條機擠壓成型，選擇不同的擠出模具就可以制得各種形狀的催化劑。催化劑制備完成后不能立即使用，還需經過煅燒活化才能填入反應器中使用。煅燒是通過熱分解除掉易揮發組分而保留一定的化學組成，煅燒可以控制催化劑晶型、晶粒大小、孔隙結構和比表面積，同時提高催化劑的機械強度。為了形成催化反應所需的活性結構，催化劑一般還需進行活化處理，活化是將催化劑由鈍態轉變為活潑態催化劑的過程。通常可采用還原、氧化、硫化、羥基化等處理方法使催化劑活化。催化劑活化可以在反應器外進行，也可以直接在反應器中進行。

在之后的章節中，當工藝過程中有催化劑參與時，我們都會簡單介紹所涉及的催化劑的特點及其制備方法，如第二章化工原料及其初步加工中。在介紹費托合成時，我們會簡單介紹一下沉淀鐵催化劑的制備方法，介紹近年來國內外對提高鐵基催化劑的活性和選擇性做的一些研究工作。在介紹合成氣制甲醇的MTG工藝時，我們會介紹分子篩的特點，分子篩的幾種重要的合成方法及其影響因素，以及分子篩擇形選擇性在工業催化上的重要應用。第三章無機化工產品典型生產工藝中，我們會介紹工業上甲烷水蒸氣催化轉化制合成氣催化劑的制備，包括載體的選擇、Ni擔載量的選擇、助劑的選擇、擔體表面改性的影響等。在氨的合成章節中，我們將詳細介紹典型熔鐵催化劑的制備方法：將一定量的精選磁鐵礦粉、還原劑與適量的助劑混合，放入特殊的鋼制爐內，通電后依靠物質的導電性及自身電阻，使混合物通電發熱熔融，隨后把高溫熔漿迅速置入冷卻槽內，冷卻至室溫后凝結成黑色堅硬固體，經粉碎、篩取一定粒度的催化劑，就可以得到合成氨熔鐵催化劑。第四章基本有機化工產品典型生產工藝第4.3節，我們介紹了NiW/γ-Al2O3加氧催化劑的制備方法：將20～40目的γ-Al2O3載體于120℃干燥4 h，測試單位質量載體的吸水量，以活性組分擔載量為依據，配制一定濃度的硝酸鎳和偏鎢酸銨鹽的混合溶液作為浸漬液，將干燥后的氧化鋁載體浸漬在此浸漬液中3 h，過濾出催化劑，在120℃下干燥3 h，然后在500℃下培燒4 h，得到不同Ni/W原子比的加氧催化劑。

2.理論教學方法的改革。化學工藝學中涉及的工藝流程圖眾多，典型的工藝包括合成氨工藝、氯乙烯制備工藝等，若采用傳統的用粉筆板書的形式在黑板上畫工藝流程度，不僅費時費力，而且授課過程枯燥，不利于學生理解。因此在教學中，我們采用多媒體教學，畫出工藝流程圖，并且在課件中制作了大量的生動的工廠現場照片、二維動畫、三維動話等多種教學形式的改進。教學手段的多樣化是提高教學效果的重要途徑，采用該教學方式擴大了教學信息量，使學生對化工典型產品工藝流程有總體的、深刻的認識，激發學生學習的興趣和熱情。

三、實踐教學環節的探索

雖然石河子大學化學工藝學這門課沒有安排實踐教學內容，但本校有多臺大型專業實驗設備，在理論課教學結束后，我們組織學生參觀專業實驗室，通過教師現場演示，使同學們了解小裝置工藝流程和主要設備。我校目前現有的相關專業實驗裝置有：乙苯脫氫制苯乙烯，催化裂化裝置，原油實沸點蒸餾儀，固定床催化加氫裝置等。如在講授催化裂化設備時，我們以流化床催化裂化裝置為例，介紹裝置的主要設備：流化床反應器，再生器，加熱爐，分餾塔。通過運行裝置，使同學們加深對催化裂化工藝流程及參數的理解。在講授乙苯脫氫制苯乙烯時，我們會結合乙苯脫氫實驗裝置，給同學們介紹反應溫度、壓力對苯乙烯轉化率的影響。教材中雖然沒有介紹苯乙烯轉化率的計算，但我們將根據裝置自帶的氣相色譜分析儀，講述苯乙烯轉化率的計算方法。通過一系列實踐教學改革，培養同學們對所學專業知識綜合理解能力和應用實踐能力，培養學生運用所學的化工專業知識，獨立分析和解決化工生產中實際問題的能力。

四、結語

綜上所述，改革后的《化學工藝學》課程在理論教學中引入了工業催化知識，以典型化工產品生產工藝為主線，課程以講授為主，同時綜合運用多媒體教學手段和“啟發與互動式”等教學方法，將專業實驗儀器作為實踐性教學的重要組成部分引入到理論課教學中，使同學們深入理解化學加工過程的基本原理、工藝參數、流程組織、環境影響等，充分調動化工專業學生學習的積極性，培養學生運用化學工程與工藝基本原理解決實際生產問題的能力，收獲了可觀的教學效果。

參考文獻：

[1]汪俊鋒，常杰，陰秀麗，付嚴.改進共沉淀法制備Cu基甲醇催化劑[J].煤炭轉化，2004，（02）.

第3篇：催化反應的基本原理范文

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，人們通過室內裝飾裝修來追求工作生活環境的舒適性和美觀性，而隨之帶來的由揮發性有機物（VOCs）造成的室內空氣污染問題越來越嚴重，室內空氣品質（IAQ）越來越差。這些VOCs主要包括甲苯、甲醛、甲醇、三甲烷、苯及NH3等，它們不僅具有毒性，而且種類繁多，降解難度大，成為空氣污染治理中的一個棘手問題。納米TiO2光催化凈化技術以溫和的反應條件、較高的化學穩定性、低廉的價格、對人體和環境無毒無害、不會產生二次污染等優點，成為最具潛力的空氣凈化技術之一。

1納米TiO2光催化作用的基本原理

TiO2是一種N型半導體氧化物，TiO2粒子的能帶結構是由一個充滿電子的低能價帶（VB）和一個空的高能導帶（CB）構成的，它們之間由禁帶分開。當TiO2粒子受到能量（E）大于或等于禁帶寬度（Eg）的光照時，價帶中的電子會吸收光子的能量，越過禁帶進入導帶，從而在導帶產生自由電子，同時在價帶產生空穴，形成電子—空穴對。由于半導體的能帶間缺少連續區域，所產生的電子—空穴對的壽命較長，在電場作用下分離并遷移到粒子表面。納米TiO2的光催化作用主要依賴于光生空穴的強氧化能力，可奪取半導體納米粒子表面有機物或溶液中的電子，使原本不吸收光的物質都被活化氧化，將其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成•OH，再由•OH無選擇地將有機物氧化，最終降解為CO2和H2O等簡單的無機物。光生電子與O2反應生成•OH和O2-等活性氧類也能參與氧化還原反應。

納米TiO2光催化降解室內VOCs的機理是利用生成的•OH、O2-等具有強氧化性的基團，將室內空氣中的甲醛、甲苯等VOCs最終分解成CO2、H2O以及無機物等無害物質，達到消除VOCs的目的。VOCs降解過程可用下式表達：（略）。

2納米TiO2光催化降解室內VOCs的應用

目前，以納米光催化技術為基礎的產品已經大量開發并涌入市場，如，納米空氣凈化器、納米TiO2涂料等。在此基礎上，眾多學者對納米TiO2的制備、性能展開了深入的研究，并取得了可喜的成果。

2.1在凈化器中的應用

由于以機械過濾達到凈化空氣目的的凈化器只能去除空氣中一定粒徑范圍內的顆粒物，還可能產生二次污染，對于室內VOCs的降解不能夠起到理想的凈化效果，于是，人們開始尋求新的思路。納米TiO2光催化將VOCs氧化成CO2、H2O等小分子，具有良好的降解作用，被逐漸用于凈化器的制備。市場上開始出現了以TiO2為光催化劑的各種不同型式的光催化空氣凈化器，主要包括：迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、梳齒迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、單元結構式光催化空氣凈化殺菌裝置、管狀光催化空氣凈化殺菌裝置、面光源光催化空氣凈化殺菌裝置等。但當污染物濃度較低時，光催化降解速率較慢，而且部分污染物不能完全礦化，會生成醛類、酮類以及有機酸等許多有害的中間產物，導致催化劑失活，影響凈化效果，再加上納米TiO2多為粉末狀，難以回收，不符合可持續發展，因此納米TiO2常通過固定和改性兩方面提高對VOCs的降解效果。

國內學者古政榮等人提出了由支承體、活性炭和TiO2光催化劑組成的具有直通孔的多層結構的蜂窩狀整體式凈化網，具有凈化效率高、氣流阻力小、可以原位再生等特點。對空氣中甲醛、甲苯、三氯乙烯、硫化氫和氨氣的降解效率分別為98.5%、98.8%、99.5%、99.6%和96.5%。單興剛等采用研制的固定床空氣凈化裝置，在二氧化鈦光催化劑中摻Ag，并以活性炭為載體，取得了優異的空氣凈化效果，一次通過凈化裝置滅菌率可達96%，甲醛降解率可達99%以上，出口處細菌濃度和甲醛濃度分別達到醫院無菌室的要求和國家標準中對空氣中甲醛濃度的要求。

總體來看，納米TiO2的固定化主要方法是將TiO2粉末直接燒結或粘結在載體上的粉體燒結法，或將納米級的TiO2負載在載體上形成均勻連續的膜狀固定法。由于吸附劑不僅可以作為催化劑的載體，還能為光催化反應提供高濃度環境，提高光催化反應的效率，同時光催化作用降解吸附在吸附劑上的有機物，增強吸附劑的凈化能力，延長了吸附劑的使用壽命，因此納米TiO2常與吸附劑聯用降解室內VOCs。催化劑的改性措施除了上述提到的金屬離子摻雜外，還有表面光敏化、添加貴金屬、催化劑表面預處理、金屬表面沉積等方法，它們通過影響光生電子和空穴，進一步增強催化劑的活性。

2.2在涂料方面的應用

近幾年，關于納米TiO2涂料方面的報道越來越多，國內外很多研究者將納米TiO2涂料涂于室內建筑材料或室內裝飾品，用于降解室內VOCs。研究表明，納米TiO2涂料在有效分解室內的有機污染物的同時能氧化去除空氣中的氮氧化物（NOX）和硫氧化物（SOX）以及各類臭氣等，且具有良好的抗菌效果。表1總結了不同制備方法的納米TiO2涂料對室內VOCs的降解效果。

目前，納米TiO2涂料的制備方法主要有共混法和原位聚合法。前者方法雖然簡單，但難于解決納米粒子團聚問題，而后者的使用具有較大的局限性。這些都嚴重地影響了納米TiO2優異性能的充分發揮，為了充分有效控制團聚，提高分散穩定性，改善光催化活性，哈爾濱工業大學的姜洪泉以提高分散穩定性和改善光催化氧化活性為目的，采用溶膠-凝膠法，以銳鈦礦型納米TiO2粉體為載體、Na2SiO3為包覆劑、H2SO4為中和劑，制備了納米TiO2/SiO2復合粉體，并確定了最佳包覆工藝條件：分散劑5027用量為2%（wt），分散液pH值為9.5左右，中和時間為2h，包覆溫度根據對其光催化活性的不同要求可控制為23℃或80℃，包覆劑Na2SiO3用量為6%（wt），陳化液pH值為9.0左右。

第4篇：催化反應的基本原理范文

【關鍵詞】碳四烯烴；歧化；丙烯；技術

隨著經濟的快速發展，丙烯產品已經廣泛應用在社會生產的各個行業中，工業上生產丙烯的主要方法是裂解烴類，烴類在裂解過程中會產生大量的碳四烯烴副產物，隨著社會對丙烯產品需求量的增加，碳四烯烴歧化制丙烯技術越來越受人們的關注。

1 碳四烯烴歧化制丙烯的原理

烯烴化合物在催化劑和歧化反應下，能轉化成新的系統化合物，烯烴歧化反應的主要反應式如下：1―丁烯+2―丁烯丙烯+戊烯；2―丁烯+乙烯丙烯；1―丁烯乙烯+己烯；丙烯+1―丁烯乙烯+戊烯。上述的反應式都是可逆的，從上式可以看出2―丁烯更容易生成丙烯，因此，在生產過程中，可以將1―丁烯轉換為2―丁烯，當乙烯、2―丁烯、1―丁烯共同存在時，主要反應為2―丁烯+乙烯丙烯和1―丁烯乙烯+己烯，但在反應過程中會產生己烯等副產物，因此，在反應過程中，要控制好反應條件，盡量減少反應副產物的產生。

2 OCT C4歧化工藝

2.1 歧化工藝

OCT 碳四歧化工藝是將新鮮的乙烯、乙烯二聚制1―丁烯過程中排出的正丁烯以及新鮮的正丁烯等三種物質一起放入固定歧化反應器中，在催化劑的作用下，使得正丁烯和乙烯歧化反應生成丙烯，沒有反應完全的乙烯和正丁烯可以循環使用。采用OCT 碳四歧化工藝制丙烯，乙烯轉換為丙烯的選擇性接近100%，而丁烯轉換為丙烯的選擇性為97%，制備丙烯的乙烯和丁烯來源比較廣泛，可以來源于各個煉廠的成產過程，也可以來自自蒸汽裂解裝置。

2.2 催化劑

OCT 碳四歧化工藝使用的催化劑為WO3/SiO2，異構化催化劑為MgO，歧化和異構化可以在同一個反應器中進行，也可以在不同的反應器中進行，當WO3和MgO共同使用時，不僅會加快1―丁烯異構成2―丁烯，還能提高歧化反應效率。WO3催化劑是由氧化硅載體、鎢氧化物、ⅠA、ⅡA族金屬氧化物等三部分組成，氧化硅載體要具有比較高的比表面積，其比表面積最少要達到50m2/g，高純氧化硅載體中，SiO2的質量分數要達到90%-99%；鎢氧化物可以是懸浮液、鎢氧化物前提，也可以是含水溶液；ⅠA、ⅡA族金屬氧化物包括這些金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等。

3 IFP公司C4歧化工藝

3.1 歧化工藝

IEP 碳四歧化工藝和OCT 碳四歧化工藝相比較，最大的特點采用低溫錸系催化劑進行催化反應，整個反應過程能在低溫的環境中完成。IEP 碳四歧化工藝是將包含1―丁烯、丁二烯、異丁烯的碳四烯烴轉換為丙烯和聚異丁烯，整個轉換過程分為3步，反應的第一步是在溫度為20°-200°、空速為0.5h-1-10h-1、壓力為1MPa-5MPa的環境中，在催化劑的作用下，用H2選擇氫化丁二烯，并將1―丁烯轉換為2―丁烯；反應的第二步是在酸性催化劑的作用下，將異丁烯聚合成聚異丁烯；反應的第三步是在氧化錸催化劑及一定溫度、壓力的作用下，將乙烯、2―丁烯歧化生成丙烯，并將丙烯分離出來。

IEP 碳四歧化工藝需要一個反應區和再生區，反應區的催化劑部分失活或者全部失活后，將催化劑表面的有機物去除，然后在送入再生區再生。由于催化劑的失活、再生可以不斷循環，因此IEP 碳四歧化工藝的歧化反應也可以連續進行，IEP 碳四歧化工藝對丙烯的選擇性大于98%，2―丁烯轉換為丙烯的轉換率為90%。

3.2 催化劑

IEP 碳四歧化工藝采用的催化劑是低溫錸系催化劑，該催化劑的反應溫度為30℃，平衡轉化率為63%，錸系催化劑是由多孔氧化鋁載體、錸氧化物、鈮和/或鉭氧化物等三部分組成。氧化鋁載體中氧化鋁的質量分數要大于75%，錸氧化物的質量分數為0.01%-20%，鈮和/或鉭氧化物的質量分數為0.01%-30%。

4 BASF公司C4歧化工藝

4.1 歧化工藝

BASF 碳四歧化工藝和其他工藝的主要區別是在制丙烯過程中，幾乎不需要外加乙烯，BASF 碳四歧化工藝制備丙烯可以分為兩個步驟，第一步是在溫度為20°-29°，壓力為大于C4組分蒸汽壓的條件下，1―丁烯和2―丁烯在Re2O7/Al2O3的催化作用下，生成丙烯和2―戊烯，反應的主要副產物為乙烯和3―己烯，反應結束后，反應物通過出口的蒸餾塔進行分離；反應的第二步是在催化劑的作用下，將第一步分離出來的C5/C6和乙烯反應生成丙烯和1―丁烯。

4.2 催化劑

BASF 碳四歧化工藝使用的催化劑中至少含有一種Ⅷ族、ⅦB族、ⅥB族的金屬化合物，金屬化合物可以是金屬氧化物，也可以是含有機集團的部分氧化物，也可以是錸的氧化物。載體可以選擇Fe2O3、SiO2、Al2O3，一般情況下常選擇Al2O3，催化劑金屬氧化物的質量分數要控制在1%-20%，剛制備的催化劑不需要活化能直接使用，當催化劑失活后，需要通過燒炭再生。BASF 碳四歧化工藝的異構化催化劑可以選擇過渡金屬，最好是選擇Ⅷ族、ⅦB族的貴金屬，載體可以選擇TiO2、SiO2、Al2O3。

5 幾種工藝的比較

OCT 碳四歧化工藝比較成熟，可以單獨使用，也聯合蒸汽裂解裝置使用，目前，OCT 碳四歧化工藝已經工業化；IEP 碳四歧化工藝的特點是能在低溫的環境下制備丙烯，但這種工藝還沒有完全應用在工業生產中；BASF 碳四歧化工藝最大的特點是幾乎不需要外加乙烯，這對生產丙烯有十分重要的意義。

6 結語

隨著經濟的快速發展，社會各行業對丙烯的需求量越來越多，伴隨著我國乙烯工業的快速發展，副產物碳四烯烴的產量越來越多，利用碳四歧化技術生產丙烯，不僅能有效的利用碳四烯烴資源，還能增加丙烯的產量，提高企業的經濟效益，增加企業的市場競爭力，促進企業的快速發展。

參考文獻：

[1]王定博，王斌，張飛.碳四烯烴制丙烯和乙烯催化劑的研究[J].石油煉制與化工，2011（03）.

[2]王定博，劉小波，郭敬杭等.碳四烯烴催化裂解制丙烯和乙烯[J].石油化工，2010（05）.

第5篇：催化反應的基本原理范文

【關鍵詞】汽車；空氣污染；控制對策

【中圖分類號】U461.99【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0303-01

目前，我國大城市機動車污染已經達到比較嚴重的程度，汽車造成的污染有交通揚塵、尾氣排放，尾氣中細小的顆粒物能引起呼吸系統疾病，損壞肺部；當顆粒有毒時，可能導致癌癥，刺激皮膚和眼睛，造成皮炎、眼結膜炎。可見，汽車排放的有害廢氣，嚴重地危害著人類的健康。及時研究造成機動車排放污染的原因，并進行有效的控制已經迫在眉睫。

一、汽車排氣污染

1.汽車排放污染物的來源。汽油車排放物中，氮氣約占71%、二氧化碳14%、水和水蒸氣13%，一氧化碳、氮氧化合物，碳氫化合物、二氧化硫占1%～2%。其污染的來源有三個：一是從排氣管直接排出的廢氣，主要的有害物質是CO、HC、NOX；二是曲軸箱竄氣，即從活塞和氣缸壁之間的間隙中漏出，再經過曲軸箱通氣孔排出的可燃混合氣體，其主要有害物質是HC；三是燃油箱蓋、燃油箱通氣孔、油管等連接部位蒸發出的汽油蒸汽，其主要成分是HC。另外，汽車排放出大量的CO，產生溫室效應。

2.汽車排放污染物的主要成分及其危害。汽油車排氣中的污染物主要有一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）等。一氧化碳（CO）是汽油機不完全燃燒時產生的一種無色、無味的氣體，吸入人體后，和血液中的血紅蛋白結合成為一氧化碳血紅蛋白，阻止氧的輸送，使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重時造成死亡；碳氫化合物（Hc）是發動機排氣中的未然盡的燃料分解的氣體，以及供油系中燃料的蒸發和滴漏。碳氫化合物（Hc）只有在高濃度的情況下才會對人體產生影響，它是光化學煙霧的重要組成成分。光化學煙霧是排氣中的HC和NOX排入大氣后在紫外線照射下進行光化學反應產生的黃色煙霧。光化學煙霧具有明顯的刺激性，能刺激眼結膜，引起流淚并導致紅眼病，另外還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害；氮氧化合物（NOX）是在高溫條件下產生的有臭味的廢氣，對肺組織產生劇烈的刺激作用。

汽車排出CO，是沒有毒的，但是它是產生“溫室效應”的主要物質。“溫室效應”使地球表面的溫度上升，對全球氣候變化會產生巨大的影響，因此CO，已經被列為重點排放控制的對象。

二、汽車上采用的新技術

1.缸內汽油直接噴射技術。缸內汽油直接噴射實現分層燃燒，不但可大幅降低CO、HC及NOx排放，而且還能提高燃油經濟性。因此，三菱公司將其汽油直接噴射發動機定為全球環保發動機。

2.可變氣門正時技術。可變氣門正時系統，氣門的開閉時間隨發動機轉速與負荷而連續變化，可達到省油、怠速穩定、提高轉矩、增大動力輸出及減少排氣污染的目的。

3.電腦控制的點火技術。電腦控制的點火系統提高了發動機的動力性和燃油經濟性，并使排氣中的CO、HC含量大為降低。

三、汽車排放控制技術

為了徹底解決排放向低排放、超低排放發展的問題，目前現代汽車主要采取了以下控制技術：

1.燃油蒸發排放控制系統（EVAP）。在汽車排出的HC中來自汽油蒸發的約占20%以上。在外界溫度升高時，燃油箱的汽油會加速蒸發，從燃油箱蓋和油箱通氣孔排入大氣。為此，有些發動機采用吸附法將汽油蒸汽吸附。待到發動機工作時，再將吸附的汽油蒸汽在負壓條件下解附，送入發動機燃燒室燃燒，這樣防止了汽油直接排放到大氣污染環境。基本的工作過程是：從燃油箱來的汽油蒸氣先通過活性炭濾毒器（又稱活性炭罐）吸附收集起來，當發動機工作時，再從活性炭器中進入進氣歧管到燃燒室燃燒。

常用的有兩種形式：一種是不帶雙金屬真空轉換閥的EVAP系統，當發動機停車、怠速或低速時，從燃油箱來的HC在活性炭濾毒器被吸附，當發動機在中速和高速時，又從活性炭濾毒器帶到進氣歧管。另一種是帶雙金屬真空轉換閥的EVAP系統，它的工作與冷卻液溫度有關，水溫低于35℃，HC在活性炭濾毒器被吸附；水溫高于65℃，又從活性炭濾毒器帶到進氣歧管。

2.廢氣再循環系統（EGR）。發動機燃燒反應生成的NOX的量，完全是由于參加燃燒的空氣中的N0和氧反應的結果。廢氣中NOX的含量與燃燒反應的溫度、時間和過量空氣系數有關，而且主要是由反應溫度決定。降低燃燒反應的溫度，廢氣中的NOX含量呈指數關系下降。

實驗證明：當溫度下降到1700℃以下時，發動機排出的NOX含量幾乎為零；而在高速運行條件下，由于反應時間短，NOX含量也少。

廢氣再循環系統（EGR）的基本原理是：將5%～20%的廢氣再引入進氣歧管，與新鮮混合氣一起進入燃燒室，使最高燃燒溫度下降，從而減少NOX的生成量。因此EGR閥相當于在進、排氣管之間安裝了一個閥門，根據發動機不同工況，關閉或者引進不同量的廢氣。顯然，廢氣的引進會影響發動機的動力性、經濟性、起動、怠速穩定性。

廢氣再循環和廢氣不再循環完全受發動機ECU的控制，只要出現下列信號，ECU就會發出切斷EGR的命令，廢氣不再循環：發動機冷卻液溫度低于55℃；減速過程（節氣門全關）；怠速或小負荷工況（進氣量很小）；發動機轉速超過4000rpm（高速大負荷）；發動機空擋運轉。

3.三元催化系統（TWC）。發動機排出廢氣含有的CO、HC、NOX有害物質，可以利用三元催化器的作用將上述三種物質進行化學反應，生成無害的物質排放出去，極大地減少了環境污染。三元催化器是一塊整體的孔氧化鋁骨架，上面浸漬有鉑、鈀、銠等貴重金屬作為催化劑，表面包覆不銹鋼作為保護套。

廢氣通過催化劑時，再催化劑表面進行一系列的氧化和還原反應。

CO+NOX+HCCO2+N2+H2O最終排到大氣都是無毒害的氣體。

在催化反應的過程中，必須嚴格保證在α=1的很窄的過量空氣系數范圍內。如果α>1，則CO氧化反應的氧氣由廢氣供給，從而不能還原NOX。因此只能在ECU控制的燃油噴射系統和在氧傳感器提供廢氣中氧含量的信息，才能保證α=1的范圍。特別注意的是，由于上述反應是放熱反應，所以在過量HC和CO存在時，會使三元催化劑過熱而損壞。因此裝有三元催化器的汽車，怠速的運動時間不得超過20分鐘，同時鉛也會使催化劑中毒而失效，故不能使用含鉛的汽油。

四、制理汽車尾氣排放的措施

1.制定嚴格的排放標準。對日益嚴重的大氣污染，為確保人們有一個良好的生活環境和滿足人們對生活環境的要求，各地政府應制定更為嚴格的排放標準。

2.開展無車日活動。據測算，如開展“無車日”活動一天，僅民用汽車可節約燃油3300萬升，可減少有害氣體排放約3000噸，數百人的生命和身體會幸免于交通事故傷害。

3.加大環保監測力度。加大檢測力度，提高檢測人員的綜合素質和職業道德，實現檢測與維修分家，進行道路抽檢，教育駕駛員及時做好汽車維護工作，另外加速不符合排放要求的汽車淘汰工作。

第6篇：催化反應的基本原理范文

為滿足學術型和應用型研究生以及交叉學科研究生培養的需要，對我校研究生全校公選課“表面物理化學”進行了教學改革和實踐。建立了滿足研究生分類培養的課程內容體系，基于不同類型研究生的學習需求和本科基礎來組織實施教學和考核，教學中注重教學與科研相結合、理論與實踐相統一，使課程適應兩類研究生和交叉學科研究生人才培養的需要。

關鍵詞：

全校公選課；碩士研究生；表面物理化學；分類教學

2007年，哈爾濱工業大學(哈工大)開始在一級學科進行碩士研究生分類培養的改革試點工作[1,2]。2009年，哈工大化工學科開始實施碩士研究生培養模式改革，確定了學術型和應用型研究生培養方案，其中“表面物理化學”既是學術型研究生的學位課程，也是應用型研究生的學位課程。同時由于表面、界面科學在化學、化工學科和其他交叉學科研究中作為共性的基礎理論支撐作用，“表面物理化學”在研究生院統一協調下確定為全校公選課，除化學、化工學科外，還服務于其他交叉學科研究生的培養。那么，“表面物理化學”成為全校公選課后，針對各種類型學生的學習需求和研究生分類培養的需要，如何確定課程內容體系？如何組織和實施教學？以及如何在教學過程中實現教學與科研、理論與實踐的有機結合？這些問題則成為“表面物理化學”課程建設和改革的關鍵。針對以上問題，我們基于“表面物理化學”課程特點，從學術型和應用型人才培養以及交叉學科研究生培養的具體要求出發，進行了全校公選課“表面物理化學”分類教學改革和實踐。

1“表面物理化學”分類教學內容體系的確立

表面科學因其學科交叉特色突出，越來越受到人們的重視。國內外各理工科類高校一般都為研究生(材料、化學、化工學科居多)開設了表面科學類課程。從課程內容看，主要是講授表面科學基本原理及應用和表面科學分析方法，并有針對性地對表面科學不同應用領域(如催化、納米材料等)進行深入介紹。各個學校講授的內容側重各不相同，課程名稱也不一致。我校化工學科從20世紀80年代起就為化學、化工學科研究生開設了“表面物理化學”課程，在長期的課程建設和發展過程中形成了適于(學術型)研究生培養的課程體系。

1.1分類教學的必要性

研究生分類培養是教育發展過程的必然選擇[3,4]，它涉及研究生培養的各個方面和環節，其中也包括課程內容體系的確定及教學的組織和實施。雖然2009年制定的培養方案中“表面物理化學”作為全校公選課，供化學、化工學科以及其他交叉學科的研究生選修。但是，在開始的教學實施過程中仍然為各類學生集中上課。在教學過程中，注重表面物理化學原理的講授以強化基礎，還注重將基本原理與能源、材料、生物、環境等國際熱門領域和學術前沿相結合，啟發學生的科研思路和創新意識。在教學過程中，采用了多種教學方法(設立討論課、自學報告和課程作業等)，針對不同類型的研究生提出不同的學習要求：如學術型研究生在討論課中要求講述表面物理化學在當今學術前沿領域的研究成果和進展，應用型研究生要求講述表面物理化學基本原理在工程實際中的具體運用，而交叉學科的研究生則要求講述表面物理化學基本原理與本學科的交叉實例。在自學報告和課程作業方面也根據學生類型的不同而提出了不同的要求。這樣，一定程度上滿足了學生分類培養的要求。然而，從前期的教學實踐效果看，該課程教學中存在如下問題：(1)這種統一集中上課的教學模式，存在著教學追求全面性與不同類型研究生學習需求不同的矛盾，使得分類培養的針對性不強。(2)從學生反饋來看，學術型研究生認為表面物理化學基本原理的學習過于簡單，而交叉學科的研究生由于化學基礎薄弱而認為理論介紹難度過大，內容偏多。這一問題還導致學生成績分布不合理，交叉學科學生選課的積極性不高。因此，“表面物理化學”課程切實的分類教學改革勢在必行。

1.2適應分類教學的“表面物理化學”課程內容體系的確立

“表面物理化學”分類教學要依據研究生培養目標所需要的知識結構，統籌考慮本科已有的基礎和不同授課對象的需求。在研究生分類培養的新形勢下，“表面物理化學”課程作為全校公選課，在教學內容上既要滿足化學、化工學科學術型和應用型這兩類人才培養模式的需要，又要滿足非化工學科研究生選修本課程的新需求。在教學過程中，既要滿足學術型研究生對表面/界面科學知識的深度和系統性的需求，又要滿足應用型研究生將表/界面科學知識有效運用于工程實際的需求，還要使得其他交叉學科研究生能夠建立界面觀點、掌握表/界面基本原理并能運用于自身的科研工作中。此外，本課程還要為不同研究方向的研究生奠定理論基礎。化工學科目前有9大具體研究方向(表面與界面化學，高分子復合與改性，化學電源，金屬電沉積與化學沉積，功能材料制備與性能，催化劑與催化反應工程，生物合成與分離工程，生物分子工程，新能源化工)，涉及到能源、材料、生物、環境四大國際熱門領域和學術前沿。這些領域都需要從分子水平上研究材料、能源、生命中的相界面物理化學變化規律，這里涉及界面的共性知識和理論是本課程重要的內容體系。因此，本課程以表面/界面的物理化學原理和規律為基礎，以界面科學及應用新進展為前沿，以拓展科研思路與方法、培養創新精神和能力為目標，把各具體學科研究方向要求的知識結構細化為知識點，用知識點間的邏輯關系，協調界面物理化學原理、規律、應用及前沿進展的內容，進行分類教學內容體系的構建。本課程從化工學科9大研究方向中，凝練出3個共性的表面科學知識和理論方向，即表面熱力學基礎、固體表面與界面以及表面活性劑。在此基礎上，針對化學、化工學科的學術型研究生的需要，重點介紹固/液界面的電化學熱力學與電結晶過程中成核與長大的影響因素及潤濕規律等；針對化學、化工學科的應用型研究生及食品、航天、材料等交叉學科的研究生，重點講授固體表面態和鍵合、表面層結構性質及表面改性技術，以及潤濕現象的應用等內容。基于上述思路，修改了化工學院的研究生培養方案，取消了原來的“固體表面與鍵合”課程，將其有關內容納入“表面物理化學II”，作為應用型研究生的學位課程及非化學、化工學科研究生的全校公選課；原“表面物理化學”改為“表面物理化學I”，作為學術型研究生的學位課。

2“表面物理化學”課程分類教學的組織和實施

在課堂教學組織與實施中，首要考慮的是學術型和應用型這兩類研究生培養目標的不同及交叉學科研究生的學習需求。“表面物理化學I”是針對化學、化工學科的學術型研究生開設，重點在于基本理論的深度理解和掌握。在教學過程中偏重于演繹法，從解釋表面現象開始，深入到基本原理的推導過程和基本規律的理論分析，注重知識體系的系統性和完整性；將表面科學的學術前沿與表面科學基本理論結合起來，提高學生對學術前沿中表面科學問題的認識深度；同時，在教學過程中注重培養學生的科研意識、科研興趣和科學思維習慣。“表面物理化學II”是針對化學、化工學科的應用型研究生和交叉學科的研究生開設的。其教學過程中偏重于采用歸納法，從各類表面現象及工程實際應用入手，在物理化學知識的基礎上介紹表面科學的基本知識和理論，注重基本理論與工程應用實踐的結合，加強培養學生在工程應用過程中發現表面科學問題和運用表面科學原理的能力，突出表面科學原理在工程實際中的應用創新和實踐創新。其次，在教學過程中還要考慮研究生原本科階段的表面化學以及物理化學課程的知識基礎。我校化工學科為本科生開設了表面化學類課程“應用表面化學與技術”，化學學科開設了“表面化學”，還有服務于全校本科生的創新研修課“應用表面化學基礎”。但是化學、化工學科每年招收的碩士研究生有相當一定比例的學生在本科階段沒有學過表面化學類課程，而交叉學科的研究生學習過此類課程的人數更少。為解決這一類研究生表面化學基礎薄弱的問題，我們建議有條件的學生選修相關的表面化學類本科生課程。另外，由于本課程對本科生的物理化學知識要求較高，因此針對沒有物理化學基礎的學生(主要是來自交叉學科的研究生)，要求課外自學由授課教師指定的相關內容，或利用緒論課適當補講相關內容。再次，通過累加式考核的導向作用，細化各項考核的要求，加強不同類型研究生的分類培養。“表面物理化學I”針對學術型研究生對系統的基礎理論和學術前沿知識要求高的特點，確定考核內容如下：閉卷考試，占60分，考核基本理論和原理等；討論課每名學生以PPT方式講述與本人課程相關的表面科學前沿問題，占20分；以理論推導和討論為主的開卷考試，占10分；以教材為藍本自學其中的第二章固體表面的自學報告，占10分。“表面物理化學II”針對應用型研究生和交叉學科研究生注重理論與工程實際相結合的特點，采用如下考核方式：閉卷考試，占50分，考核基本理論和原理等；討論課每名學生以PPT方式講述表面科學問題或表面分析方法在工程實際的應用，占20分；作業占20分，包括運用表面基本原理對某一表面現象和問題進行解釋和綜述某一固體材料表面或界面的幾何結構和電子結構兩個方面；隨堂開卷測驗2次，共10分。

3通過教學與科研相結合、理論與實踐相統一，服務于兩類研究生人才培養

研究生的課程教學不僅是傳授基礎理論和專業知識，也是拓展科研思路與方法、培養創新精神和能力的有效途徑。表面物理化學內容的學科交叉特色突出，使得該課程具有教學與科研、理論與實踐相結合的優勢。本課程在滿足教學基本要求的前提下，利用界面化學涉及面廣的特點，引導學術型研究生從界面的物理化學原理和規律走向學術前沿、應用型研究生將表面化學基本理論應用到工程實際，使“表面物理化學”課程教學有效地服務于研究生的分類培養。

3.1教學過程中注重教學與科研相結合

本課程在長期的建設和發展過程中形成了課程組，建立了適合于研究生培養，特別是學術型研究生培養的課程體系，在教學與科研相結合方面也進行了大量卓有成效的工作。本課程組的授課教師利用自身的科研優勢，將自己與表面科學相關的研究成果運用于教學之中，啟發學生的科研思路、培養科研興趣；課程組成員的部分研究成果直接轉化為與課程內容對應的實驗項目，納入學院的研究生實驗平臺[5]之中，建立學院層面的“表面物理化學”課程實踐環節；此外，課程組教師在研究生培養環節上，服務于科研方向與表面科學密切相關的研究生導師，對研究生學位論文中與表面科學相關的內容進行把關和理論指導，反饋于科研工作。

3.2加強理論與實踐相統一，強化應用型研究生工程實踐能力培養

針對我國研究生人才培養和實際需求脫節的問題，2009年起教育部即宣布研究生培養將從過去的學術型為主轉變為應用型為主，現在應用型研究生招生比例逐年增加[6]。為提高我校化學、化工學科應用型研究生的工程實踐能力，化工學科在研究生院的支持下建立了校內外實踐基地[7]，并與“表面物理化學II”有機結合起來，工程實踐活動成為課程的生動實例。如在課程組成員參與建立的“化工學科應用型研究生校內實踐基地”，研究生可以在生產線上進行鋰離子電池制造各個環節的實踐活動，包括材料合成、電極制備、電池組裝及電池性能檢測，全面系統地掌握鋰離子電池的制造技術，培養化工學科研究生的工程實踐能力，提高其對產品設計、產品制造的系統觀、全局觀，特別是使學生體會到了本課程的基本原理和規律在電池制備中的理論指導作用，真正做到了理論與實踐的統一。再如在化工學科的“上海山富數碼噴繪復合材料有限公司校外實踐基地”，研究生可以進行從膠水、涂料、涂布、貼合、分切，到產品包裝的一條龍生產實踐，使應用型研究生能真實了解企業生產和研發的基本過程，又深刻體會到界面問題的重要性。

4“表面物理化學”課程分類教學實踐效果

全校公選課“表面物理化學”課程的分類教學在我校研究生院支持下正式實施以來，本課程的學生成績分布更趨合理，學生選課情況和學習興趣都呈現了良性的發展態勢。從學習效果看，此前本課程閉卷考核中成績優秀的學生都集中在化學、化工學科，并以學術型研究生居多；現在由于分類教學中基于不同類型學生的學習需求，調整了教學內容和考核要求，使得學術型和應用型研究生各出現一定比例的優秀生，特別是來自交叉學科的研究生成績也出現了優秀。其二，分類教學實施后，選“表面物理化學II”課的交叉學科研究生從航天、食品、材料學院又增加了機械、電子和能源等學院，表明分類教學法的實施符合交叉學科研究生對表面化學類課程的學習需求。因此，可以預期“表面物理化學”全校公選課會吸引更多的交叉學科研究生選課，選課波及面也會進一步加大。其三，由于課程學習內容與各類研究生的培養目標更為一致，從而使得研究生的學習興趣提高，學生主動學習的意識明顯增強。特別是課間學生找老師討論問題的現象明顯增多，既有對課堂上課程學習內容的討論，也有把自己課題方向中與表面科學相關的問題與授課教師交流。學生反饋結果表明，選修此課的研究生對“表面物理化學”分類教學普遍認可。另外，我院應用型研究生在培養上增加了校內外實踐基地的實踐與考核環節，從學生對校內外實踐基地實踐活動的總結報告中可以發現，有相當一部分學生將表面科學問題與具體的工程實踐結合起來，將在“表面物理化學”課程中學習的知識原理直接運用到具體實踐之中。在教學過程中設置的討論課上，有一定比例的研究生將自己將要進行的碩士研究課題中的表面物理化學問題在課堂上與老師和同學直接交流，這樣授課教師可以直接進行理論指導，使教學更好地服務于研究生的學位論文工作。

5結束語

我國高校研究生階段人才培養的全校公選課一般為英語、數學或思想政治理論課等。而理論性較強的“表面物理化學”課程如何發揮其全校公選課的作用、有效地服務于研究生的分類培養，是“表面物理化學”課程建設的首要問題。哈工大化工學院“表面物理化學”課程組在我校研究生院和化工學院的支持下，對“表面物理化學”分類教學改革進行了有益的探索。但是要真正實現從原來單一地服務于學術型研究生培養到服務于學術型和應用型兩類研究生的分類培養，還需要進一步的理論研究和實踐。

作者：姚忠平 姜兆華 黃玉東 岳會敏 安茂忠 韓曉軍 尹鴿平 單位：哈爾濱工業大學化工學院

參考文獻

[1]丁雪梅,甄良,宋平,楊連茂,魏憲宇.學位與研究生教育,2010,No.2,1.

[2]丁雪梅,甄良,宋平.研究生教育研究,2011,No.5,1.

[3]阮平章.學位與研究生教育,2004,No.8,21.

[4]吳愛祥.中國高等教育,2013,No.18,58.

[5]丁雪梅,甄良,宋平,楊連茂,魏憲宇.學位與研究生教育,2009,No.11,13.

第7篇：催化反應的基本原理范文

關鍵詞：現代免疫分析技術;食品衛生檢驗;應用

食品衛生檢驗是保證食品安全的重要環節，現階段，食品呈現多樣化發展，加強對食品衛生檢驗技術的研究具有十分現實的意義。 現代免疫分析技術概述

標記免疫分析技術就是用抗原體間特異反應為基礎，結合各項定量分析信號對某種物質進行定量或定性測定的一種技術，具有高特異性、強靈敏度等特點，被廣泛的應用于基礎醫學以及臨床中，并發揮了重要的作用。這種免疫分析技術的基本原理大致相同，根據標記物種類的不同，檢驗發出的信號也不同。目前這類檢測方法有很多種，目前得到廣泛應用于推廣的主要包括以下幾種。

放射免疫分析：簡稱RIA，這種分析技術是將特異性免疫化學技術與放射性核素示蹤法相結合的技術，能夠對一切活性物質進行測定。根據反應試劑以及操作步驟的不同，可以將其分為雙抗體夾心法、經典RIA法、生物素法、雙位點法、間接法。

熒光免疫分析技術：簡稱FIA。這種分析技術的原理就是將熒光素與抗原或抗體進行結合，在熒光顯微鏡下，標記的抗原或抗體就會發生熒光特異免疫現象。這種分析技術除了傳統的標記分析功能外，還具有一定的定位功能。

酶免疫檢測技術：簡稱EIA。這種分析技術是一種非放射性標記分析技術，將酶反應以及免疫反應的特點有機的結合起來，實現了高效與專一的疊加。根據應用目的的不同，可以將酶免疫分析技術分為非均相酶免疫檢測以及均相酶免疫檢測兩種，其中非均相檢測又可以分為液相與固相兩種。

發光免疫分析：簡稱CLIA。這種分析技術是在免疫反應與發光反應的基礎上建立起來的，結合了發光反應的靈敏度以及抗原反應的特異性。根據分析的方式不同，能夠將其分為化學、化學發光酶、生物這三種免疫分析法。

免疫電鏡分析：簡稱IEM。這種技術也成為免疫細胞化學技術，主要是用用顯微鏡等裝置，對抗原、抗體等反應進行定位觀察與分析。這種分析技術與定量分析有很大的區別，同時具有分子級別的定位功能。

膠體金免疫標記分析：簡稱CGIA。這種技術就是在電鏡、光鏡下對抗體或抗原進行定位、定量分析，廣泛的應用于生物或醫學領域，并且使用相對簡單，適合于家庭、個人使用。 酶免疫分析技術在食品衛生檢驗中的應用

食品衛生問題是眼下社會廣泛關注的焦點問題之一，與人們的生活息息相關。現代免疫分析技術中，重點介紹酶免疫分析技術在食品衛生檢驗中的應用。

2.1 酶免疫分析技術優點

酶免疫分析技術在食品衛生檢驗中具有以下幾個方面的優勢：（1）具有較高的靈敏度，能夠檢測出待測液中的微量抗原與抗體，并與之結合發生快速的催化反應;（2）酶免疫分析技術具有抗干擾能力強的優點，能夠避免熒光物質、有色物質、結構類物質等對檢測物品的干擾。特別是對于食品來說，需要保證檢驗后的食品的有效性，因此該優點使其用于食品衛生檢測的重要原因。（3）這種分析方法應用于食品衛生檢驗中操作步驟較少，降低了食品檢驗的難度，提高了檢驗的效率;（4）這種檢測分析技術進行食品檢驗中不需要使用揮發性的有機溶劑，操作十分安全，有效的降低了對環境的污染。（5）酶免疫分析技術對檢驗場地與設備儀器的要求不高。

2.2 食品衛生檢驗中酶免疫分析技術的具體應用

酶免疫檢測分析技術在食品衛生檢驗中，具體應用在以下幾個方面：

對食品送農藥殘留的檢驗：由于在食品形成的環節中，農藥大量的使用，造成農藥殘留問題在食品衛生中日漸突出，主要的農藥種類包括殺蟲劑以及除草劑兩種。隨著科技的發展，酶免疫技術得到了長足的發展，越來越多的農藥建立了酶聯免疫吸附檢測方法。其中在除草劑農藥方面，有有機磷的殺螟松，甲氟磷酸異己酶;屬有機氯的2，4一D，草不綠、DDT等，殺蟲劑方面如除蟲菊酯、多菌是、克菌丹、西瑪津均有酶聯免疫方法的報道.有的已有商品化的測試盒供應。

對食品中生物堿、毒素等的檢驗：針對可卡因、海洛因、嗎啡等，建立了酶聯免疫吸附檢驗方法，國內一些地區甚至存在用于檢測嗎啡的膠體金試紙。一些飯店為了招攬更多的顧客，甚至在食品中加入罌粟殼，其中以火鍋、湯料等為主，公安部以及相關部門建立了針對性的酶聯免疫吸附檢測方法，也研制出了具體的檢驗試紙，檢驗試紙的商品化也即將面世。

對食品中激素、抗生素等殘留的檢驗：一些肉質品、奶制品中由于飼養過程中飼料中添加劑或直接有添加劑加入成品，導致食品中存在激素以及抗生素殘留，對食品衛生造成很大的危害。對此，我國相繼建立了針對性的酶聯免疫吸附檢驗方法。

另外，酶聯免疫吸附檢測法還用于對食品中一些毒素的檢驗，包括動物毒素（海豚毒素等）、藻類毒素、貝類毒素等。 總結

食品安全問題一直是社會關注的焦點問題，三聚氰胺、蘇丹紅、瘦肉精等食品安全事件使得人們對食品衛生的關注程度進一步升級。免疫分析技術在食品衛生檢驗中的應用，能夠快速有效的對食品進行安全檢驗，得出定量的檢測結果，確保食品的安全，為人們創造一個安全放心的食品衛生環境。

參考文獻：

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第8篇：催化反應的基本原理范文

關鍵詞：木質素；生物質；綜合利用；分離

中圖分類號：S562；O69 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2607-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.10.039

Abstract： Lignin is a nature polymer which formed via the free radical polymerization of phenylallyl alcohol. It is important to find a new green method of separating lignin. In this paper， 1，4-butanediol was firstly used as the solvent to extract the lignin from cotton stalk. The effects of variables were investigated. The optimal conditions were obtained as following： reaction temperature 210 ℃，time 3.0 h，1，4-butanediol concentration 80%，ratio of solution to cotton stalk 1∶12（g∶mL）， the 36% sulfuric acid was used as the catalyst with dosage of 1.7%， and the yield of lignin reached the highest value of 97.4%. The repeat times of 1，4-butanediol was investigated for the separating lignin， it is found this solvent can be used at least 4 times before the decrement of lignin's yield， which provided a new method for the comprehensively utilization of cotton stalk.

Key words： lignin； biomass； comprehensively utilization； separation

木質素是由苯丙烷單元通過醚鍵（-O-）和碳-碳鍵（C-C）連接而成的天然芳香族高分子化合物[1]。木質素是產量僅次于纖維素的第二大生物質，當前生物圈內木質素的存量為300億t，每年再生產量為200億t[2]。木質素是惟一可再生的大宗芳香族化合物。雖然當前石油和煤炭的價格跳水，但是它們的儲量銳減與需求激增的趨勢未變，而大量使用石油煤炭所引發的生態破壞、環境污染、氣候異常等問題也日益嚴重。而木質素具有碳中性、環境友好、可大量再生等優勢，因而，木質素是最有希望在將來替代石油煤炭的芳香化合物[3]。

木質素主要存在于木本、禾本科植物的莖桿中，以農業廢棄物秸稈為例，中國每年產量達到7億t，富含木質素約2億t。中國是世界最大產棉國，每年副產棉稈約3 000萬t，新疆是最大產棉區，每年產棉稈約1 000萬t[4]。因棉稈的質地堅硬、營養成分少，目前大部分都沒有得到合理利用，造成了環境污染和資源浪費等問題。棉桿的主要成分是纖維素（45%）、木質素（25%）、半纖維素（20%）[5]，因此高效綠色分離三素，是實現棉稈資源綜合利用的基礎。木質素是連接纖維素、半纖維素的“膠黏劑”，且其性質較為穩定，又成為分離三素過程的瓶頸。20世紀70年代以來，中國在棉稈制漿方面有較多的研究成果，采用的方法包括硫酸鹽-蒽醌（A-Q）法[6]，中性亞硫酸鹽法[7]、亞銨法[8]等。因這些方法伴有大量高污染、難處理的“黑液”，未被廣泛和持續應用。近年來，又有化學機械制漿[9]、生物制漿[10]等新的方法被報道，但未見上述方法對棉稈中木質素的性質變化進行研究。近年來，有機溶劑提取木質素的方法以其溶劑可回收、污染小等優點受到了廣泛的重視[11-14]。其中1，4-丁二醇法具有成本低、溶劑可回收循環利用，基本上無廢液排放等特點[15，16]，并且此方法得到的木質素產品相對于堿法制漿的產品而言，具有灰分含量低、相對分子質量較為均一、化學活性高、可直接應用于精細化學品的合成[17-19]等優點。

因此，本研究對1，4-丁二醇分離棉稈木質素進行初步研究，以木質素的產率為技術指標，探索反應條件與木質素分離程度間的規律和特點。通過優化條件，得到了接近理論產率的木質素產品。研究結果實現了棉稈木質素的高效綠色分離，為棉稈的資源化利用提供了基礎數據，有助于解決棉稈的污染和浪費問題。

1 材料與方法

1.1 材料

棉稈取自新疆昌吉市榆樹溝鎮，對應棉花品種為早26提高系998，使用前粉碎至50目。1，4-丁二醇、無水乙醇、苯、濃硝酸、濃硫酸等藥品均為分析純（天津化玻公司）。

紫外-可見分光光度計（Shimadzu，UV2550）；傅里葉變換紅外光譜儀（Shimadzu，IRAffinity-1）；核磁共振波譜儀（Bruker，AVII400）。

1.2 方法

1.2.1 棉稈各組分的含量測定方法 棉稈中木質素、纖維素、灰分等組分的測定方法分別參照酸性纖維洗滌法（ADF法）、硝酸乙醇法、GB50094-85等進行。

1.2.2 棉稈中木質素的提取方法 用電子天平準確稱取干燥后的棉稈粉末，置于50 mL水熱釜內，加入一定濃度的1，4-丁二醇后加熱升溫至180～210 ℃，并保持恒溫1.0～4.0 h。到達預定時間后，冷卻降溫到60 ℃。取出反應后的混合物進行減壓抽濾，并用60 ℃的1，4-丁二醇洗滌3次，將殘渣與木質素溶液分離，收集洗滌殘渣產生的廢水作為沉降木質素用水，將木質素的原液在室溫下加入3倍體積的水攪拌，木質素沉淀析出，經減壓抽濾后室溫干燥18 h，得到深棕色的木質素產品。

1.2.3 木質素的純化方法 采用二氯乙烷-乙醇法（簡稱D-E法）。將提取的木質素溶于二氯乙烷∶乙醇（體積比）為2∶1的溶液中，攪拌，靜置后離心。取上清液加入一定量無水乙醚中，有沉淀析出。離心后取出固體并烘干，即可得到純化的木質素固體。

2 結果與分析

2.1 棉稈中各成分含量的測定

根據“1.2.2”的方法對棉稈各組分的含量進行測定，結果如表1所示。由表1可知，樣品中木質素、纖維素和半纖維素總含量85.55%，灰分及苯醇抽提物含量只占8.81%，說明棉稈是一種理想的生物質資源。木質素的含量達到22.68%，為木質素的分離提供了基礎[20]。

2.2 各因素對木質素產率的影響

影響木質素產率的因素主要有反應溫度、反應時間、1，4-丁二醇體積分數、固液比、催化劑用量等因素。因為影響因素較多，為快速準確地得到試驗結果，首先采取了正交試驗的方法對自催化提取進行試驗優化。在此基礎上，研究了硫酸作為催化劑對木質素產率的影響。

2.2.1 溶劑自催化法提取棉稈木質素的研究 有機溶劑自催化法提取棉稈的木質素，基本原理是有機溶劑在一定的溫度和壓力條件下，主要對木質素中的α-芳基醚和β-芳基醚鍵進行催化裂解[20]，形成木質素小分子，并將其溶解從而與纖維素分離。半纖維素的乙酰基在水解過程中形成乙酸，加快木質素醚鍵的斷裂，即自催化效應。對反應后的濾液加入一定體積的水，木質素膠體溶液穩定性被破壞，木質素形成沉淀析出。

影響有機溶劑自催化法的主要因素有反應溫度、反應時間、溶劑濃度、固液比（g∶mL，下同）等。正交試驗因素與水平見表2。正交試驗結果見表3。由表3可知，第5組效果最好，其木質素產率為42.60%。具體的條件是200 ℃下提取3 h，固液比為1∶8，1，4-丁二醇體積分數為70%。通過極差分析的方法可知，對木質素產率的影響大小依次為：固液比>提取溫度>提取時間>1，4-丁二醇體積分數。由正交試驗的效應曲線分析可知，增加反應溫度和固液比有利于木質素產率的提高。因此在后續的優化試驗中，將反應溫度提高到水解釜內襯能夠承受的最高溫度210 ℃，將固液比提高到1∶12，1，4-丁二醇體積分數提高到80%。在此條件下提取木質素3 h，木質素的產率提高到70.4%。

2.2.2 催化劑用量對木質素產率的影響 以上自催化反應的結果表明，木質素的最大產率為70.4%，為了進一步提高木質素的產率，本研究選取36%的硫酸作為催化劑，考察其對木質素產率的影響。

在溫度210 ℃，固液比1∶12，1，4-丁二醇體積分數80%，提取3 h的前提下，固定溶劑的使用量為32.0 mL，添加36%的硫酸作為催化劑，考察其加入量分別為0.05、0.10、0.30、0.60、0.70 mL對木質素產率的影響（圖1）。由圖1可知，以36%硫酸作為催化劑時，隨著其用量地增加，木質素的產率呈現急劇增加的趨勢，且當其用量達到0.70 mL（占溶劑體積的2.2%）時，木質素的產率達到97.4%，接近于理論產率。當催化劑用量超過0.70 mL后，棉稈的炭化現象比較明顯。造成上述現象的原因是因為棉稈木質素大分子醚鍵的斷裂需要H+的催化，加入硫酸可以提供更多的H+，進而提高木質素的產率。但是H+過量，會引起木質素小分子及其衍生物的縮聚、炭化等副反應，造成木質素的產率下降。

2.3 溶劑的重復使用研究

鑒于本方法使用的80% 1，4-丁二醇黏度大，沸點高，不易進行純化再利用，本研究對該溶劑的重復使用進行了初步的研究，即將最優條件下得到的80% 1，4-丁二醇溶劑直接用于下一次木質素的分離，而不是加水沉淀木質素（引起1，4-丁二醇的體積分數下降）。試驗結果如表4所示。由表4可知，80% 1，4-丁二醇在前3次的重復提取棉稈木質素過程中，木質素的產率沒有明顯的下降，但是當重復利用第4次以后，木質素的產率開始銳減，表明該溶劑對木質素的溶解達到飽和。因此，80%的1，4-丁二醇溶液可以重復利用4次而保持穩定的木質素分離程度。

2.4 木質素產品的表征

將加入催化劑條件下得到最大產率的木質素分別進行紫外、紅外測試，所得結果如圖2、圖3所示。由圖2可知，木質素的最大紫外吸收峰出現在205 nm附近，為共軛烯鍵的吸收帶，在260 nm附近出現了一個弱的吸收峰，為芳香環的吸收峰。以上結果符合文獻報道的木質素的特征吸收峰[21]。木質素的紅外吸收光譜見圖3，對應的吸收峰歸屬分析見表5。由表5可知，木質素是芳香環及其衍生物構成的大分子，含有甲基、酚羥基、醇羥基和羰基等化學活性基團。圖3中波數1 721 cm-1處為羰基中的C=O伸縮振動峰，1 627、1 533 cm-1處為芳香環的骨架振動峰，1 215 cm-1處為芳香環上C-O伸縮振動峰，1 009 cm-1處為芳香環上C-H面內彎曲振動峰。以上各峰均為木質素的特征峰[21]。結合圖2的紫外吸收光譜，可以證明1，4-丁二醇法從棉稈中提取的產品為木質素。由圖4可知，1，4-丁二醇木質素在化學位移7.13～6.69處有明顯的吸收峰，表明其含有苯環，其中1，4-丁二醇木質素在6.941～6.750處的峰值大，表明該化合物中紫丁香基結構單元較多。在5.332～5.304處有側鏈上氫的峰，4.017～3.975處有α、β、γ上氫的峰。3.336～3.397處有一苯環上的氧甲基多峰是側鏈上的Hα、Hβ、Hγ，苯環羥基峰則在4.377處。3.751～3.727處有芳香族的氧甲基峰，1.426～1.411為脂肪族氫峰，其峰值較大，故含量較多，溶劑的五重峰為2.504～2.490[22]。

3 結論

以棉稈為原料，采用1，4-丁二醇作為溶劑，采用正交試驗的方法，考察了反應溫度、反應時間、1，4-丁二醇體積分數、固液比、催化劑用量等因素對木質素產率的影響。試驗結果表明，自催化條件下，各因素對木質素產率的影響大小依次為：固液比>提取溫度>提取時間>1，4-丁二醇體積分數。最優條件為反應溫度210 ℃、反應時間3 h、1，4-丁二醇體積分數80%、固液比1∶12，此時木質素的產率達到最大值70.4%。36%的硫酸作為催化劑可明顯提高木質素的產率，當其用量為溶液體積的2.2%時，木質素的產率達到最大值97.4%。80%的1，4-丁二醇不經稀釋進行木質素的重復提取試驗，結果表明共重復利用4次后，溶劑對棉稈木質素的溶解能力達到極限。采用紫外光譜、紅外光譜和氫核磁等方法對最優條件下得到最大產率的木質素進行表征，表明各譜圖上的特征峰與木質素的特征峰相吻合。

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第9篇：催化反應的基本原理范文

關鍵詞：光化學； 比色； 傳感器； 陣列； 評述

1引言

化學傳感器是一種能夠通過某物理或化學反應以選擇性方式對特定分析目標物產生響應，從而進行定性或定量測定的裝置[1]。化學傳感器通常由識別元件和換能器兩部分構成。識別元件與待分析物相互作用，其物理、化學性質發生變化；換能器將這些參數轉化和放大，生成與待分析物特性有關的可定性或定量處理的電信號或者光信號（顏色、發光等）[2]。目前，化學傳感器已成為化學分析和檢測的重要手段。傳統的化學傳感器根據“鎖鑰模式”進行設計，選擇性好，對某些物質的檢測非常有效，然而其設計也存在一定的缺陷，如對于生物大分子和結構不明確的待分析物的傳感器設計存在困難，同時，針對復雜混合物中的每種成分均設計具有專一選擇性的特定傳感單元顯得費時且不切實際[3]。陣列式傳感器的設計模仿哺乳動物嗅覺和味覺系統，利用多個傳感器單元組成陣列，通過傳感器陣列與分析物之間的交叉響應，可以實現對多種物質及復雜混合物進行響應和檢測。傳感器陣列中的傳感單元對分析物不必具有高度的選擇性，某些傳感單元對特定分析物有一定程度的選擇性，同時對其它分析物也有響應，即每個傳感單元對不同的組分具有不同的響應能力；利用傳感器陣列對各種分析物整體響應之間的差別，實現對待分析物的區分。在光學、電化學、色譜等諸多的檢測手段中，光化學顯色方法無疑是最便捷有效的度量手段。結合光化學比色方法，光化學比色傳感器陣列以其價格低廉、方法簡單、響應快速、信息量大等優點，得到了日益廣泛的應用。本文綜述了近年來光化學比色傳感器陣列在氣體、生物樣品、離子和小分子，以及混合物檢測方面的應用， 對它的原理和性能進行了討論， 并對其研究和應用前景進行了展望。

2光化學比色傳感器陣列的基本原理

光化學比色傳感器陣列是利用傳感器單元的光學性質（吸收或發射）改變作為輸出信號，實現對待分析物的檢測。通常采用光譜或成像兩種方式對光化學比色傳感器陣列中所有傳感單元的光學信號進行同時采集。如圖1所示，采用紫外可見分光光度計采集光譜時，通常要配備流通池和液體控制裝置，該方式根據紫外可見光譜的遷移或吸收強度的變化，實現對待分析物的檢測和區分；換用平板掃描儀成像后，比色傳感單元顏色的改變經過去卷積，灰度值經平均化和積分處理后，其結果更直觀和便于定量化。加入不同的待分析物后，多個傳感單元的顏色變化組合成具有各自獨特模式的陣列，稱之為待分析物特有的“指紋圖譜”，從而實現對不同物質的鑒別和區分。光譜技術由于可以獲得完整的光譜，包含信息量大而具有很大優勢，但需要比較復雜的儀器設備，對每個傳感單元數據的采集也需要一定時間。與光譜技術相比，成像技術具有在給定視野范圍內能夠檢測多個傳感器單元的優點[2]，且成像技術比光譜技術簡單，無需特殊的儀器，成像設備可以是數碼照相機、平板掃描儀[4]、手機攝像頭[5]等，但成像技術通常獲得的是紅、綠、藍（R， G， B）3個或紅、黃、綠、藍（R， Y， G， B）4個通道的光譜信息，不如光譜技術獲得的信息量大[2]。

3光化學比色傳感器陣列的應用

3.1氣體的檢測

2000年，Rakon等提出通過模擬哺乳動物的嗅覺系統來構建比色傳感器陣列，利用卟啉類化合物與揮發性有機氣體（VOCs）反應前后的顏色變化對氣體進行定性定量分析，為氣體的檢測提供了一種全新的思路[4]。目前，比色傳感器陣列已被廣泛應用于氣體的檢測，如工業有毒氣體[6～10]，揮發性有機物[11～15]，胺類[16～18]，甲醛[19]，爆炸物[20]，硫化氫[21]等。

Lim等[6]構建了一個以36種指示劑為基本單元的可拋型傳感器陣列，用于19種工業有毒氣體的檢測。分析物與傳感器陣列反應前后的顏色改變形成了對應于該分析物獨有的分子指紋圖譜，通過比較指紋圖譜來實現不同種類工業有毒氣體的定性和定量檢測。在危險濃度下，2 min內即可實現對19種工業有毒氣體的有效區分，準確率達100%。與傳統采用范德華力及物理吸附等弱作用力為基礎的半導體金屬氧化物電子鼻技術相比，該傳感器利用的是指示劑與分析物間強的化學鍵相互作用，雖犧牲了傳感器的長效檢測能力，但卻極大地提升了傳感器的檢測靈敏度，其對工業有毒氣體的檢出限大多低于允許排放濃度（通常為10_Symbolm@@_9量級）。由于指示劑用量極小，可拋型的設計在大大提升傳感器檢測靈敏度的同時，卻并沒有增加其使用成本，為氣體傳感器的設計提供了一條新的思路。

Feng等[19]將酸堿指示劑添加到氨基封端的聚合物中構建光化學比色傳感器陣列用于甲醛的快速檢測。利用胺與甲醛反應后堿性減弱的原理，引起固載在一起的酸堿指示劑顏色發生改變，用來檢測甲醛。商品化的甲醛比色檢測往往需要30 min， 甚至更長的時間，該傳感器陣列可以在1 min內對濃度在0.250～20 gm3范圍內的甲醛進行快速檢測，10 min內檢測到濃度為50 mgm3甲醛。對乙醛、丁醛、苯甲醛均無響應，具有很好的選擇性。

環形構造的三過氧化三丙酮（TATP）是一種威力巨大的爆炸物，因其穩定性差，在工業和軍事上均無實際應用，但由于其制備異常簡單，近些年來被多次使用。由于TATP自身無紫外吸收和熒光，也不容易被離子化，直接檢測相對比較困難。Lin等[20]構建了一種簡單的比色傳感器陣列，成功應用于TATP的快速檢測。采用酸性固體催化劑將TATP分解，分解后產生的H2O2氣體氧化傳感器陣列中還原性的指示劑而使對應的指示劑變色，根據傳感器陣列顏色改變形成的指紋圖譜，實現對TATP的定性和半定量檢測，檢出限可達到2 mgm3。該傳感器對TATP的選擇性很好，不受濕度、揮發性有機氣體等常見潛在干擾物的影響，也能將TATP與過氧化氫、過氧乙酸等氧化劑區分開來。

3.2生物樣品的檢測

生物系統中無機鹽、蛋白質、細胞等的檢測對于疾病的預防和診斷尤為重要。目前，檢測生物樣品的方法很多，如酶聯免疫法、蛋白質組學、質譜、毛細管電泳、適配體傳感器等[22～26]。光化學比色傳感器陣列以其方法簡單、檢測快速的優點在生物樣品的檢測方面得到廣泛應用（表1）。

3.2.1核苷酸的檢測

核苷酸在許多生理反應及代謝過程中起著非常重要的作用，利用傳感器陣列檢測核苷酸具有簡單快速的優點。2003年，McCleskey等[37]用指示劑取代法，采用3×4的傳感器陣列對20 mmolL的三磷酸腺苷（ATP）， 三磷酸鳥苷（GTP）和單磷酸腺苷（AMP）進行區分。2007年，Buryak等[29]采用多元指示劑取代法對1 mmolL ATP、GTP、二磷酸腺苷（ADP），AMP，環磷酸腺苷（cAMP），焦磷酸（PPi）進行了鑒別。該實驗在50 mmolL磷酸鹽緩沖溶液中進行，傳感器對核苷酸和PPi體現出了很好的選擇性。多元指示劑取代法的原理如圖2所示[29]，多個指示劑分別與受體結合形成對應傳感器單元，加入不同分析物后，根據與受體親和能力的大小，分析物對指示劑進行一定程度的取代，從而產生不同的光譜變化。傳統的含單個指示劑受體的指示劑取代法，當分析物與受體的親和性比指示劑與受體的親和性高很多或者低很多時，將給出相同的全部取代或完全不取代指示劑的信號；而對于多元取代法，分析物對不同傳感器單元的親和能力不相同，從而產生不同程度取代的信號，這樣分析的動態范圍就被擴大。值得注意的是，多元取代法中，各個指示劑受體的光譜變化需發生在不同的光譜區域。多元指示劑取代法與傳感器陣列在概念和原理上有密切的關系，所不同的是，傳感器陣列中的各個傳感單元是相互獨立的，而多元指示劑取代法中各個傳感器單元因為交換作用而相互關聯。

3.2.2氨基酸、多肽及蛋白質的檢測光化學比色傳感器陣列用于氨基酸及蛋白質的檢測已有大量研究報道。Severin研究組[27]通過構建指示劑取代傳感器陣列，與紫外可見光譜結合成功地區分了20種天然氨基酸。該研究組還利用指示劑復合物的動態組合庫分別對二肽和三肽進行了區分[28，39]。動態組合庫中各組分通過可逆反應和相互作用連接，外界的刺激會影響庫的組成。加入目標分子后，目標分子選擇性地與庫中成分反應，達到新的平衡。將動態組合庫應用于多肽的檢測中[39]，金屬和染色劑復合物組成動態組合庫，加入多肽后，與庫中組分發生配體交換反應，動態組合庫重新平衡，導致紫外可見光譜發生改變，從而實現對多肽的檢測。FolmerAndersen等[40]通過指示劑取代法實現了對10種濃度為200 olL 對映異構和結構相似氨基酸的區分。霍丹群等[41]以卟啉及其衍生物、酸堿指示劑以及極性指示劑為傳感元件，構建了一種6×6的傳感陣列，可以在5 min內對濃度為375 olL的10種氨基酸進行鑒別。Miranda等[33]構建了一種以酶納米金粒子為傳感單元的傳感器陣列，通過酶催化反應使傳感器的靈敏度大大提高。該傳感器成功地對濃度為1 nmolL，基質為磷酸鹽緩沖溶液或脫鹽人體尿液的蛋白質進行了鑒別區分，靈敏度遠高于當前其它傳感器檢測方法。

3.2.3糖類的檢測糖類作為維持生命活動的重要營養物質，既是主要能源物質，又與多種生物分子如蛋白質存在特異性識別作用，對眾多生理過程起著至關重要的作用，因此對糖類物質的檢測非常重要。硼酸因其可與二羥基化合物進行可逆、高親和性的結合，而被廣泛用作糖分子識別單元。Schiller等[30]構建了以添加有芐基紫羅堿的二硼酸陽離子為基本單元的傳感器陣列，二硼酸陽離子與陰離子熒光染料8羥基芘1，3，6三磺酸鈉（HTPS）形成復合物，電子從HTPS轉移到二硼酸陽離子，導致HTPS熒光強度降低。當加入糖類后，糖類與硼酸形成硼酸酯，部分中和了二硼酸陽離子的正電荷，降低了對HTPS的熒光猝滅效應，從而使熒光增強。該傳感器對濃度為2 mmolL的12種糖類進行了區分，準確率達100%。Lim等[32]將pH指示劑固定于溶膠凝膠基質上，構建了一種簡單、廉價的傳感器陣列，對15種單糖、二糖和人工甜味劑進行了區分。在生理酸度下，對葡萄糖的檢測限低于1 mmolL。在檢測糖類方面，硼酸也存在一些局限，如與某些糖類結合常數很小或不結合，Janowski等[42]構建了一種含Pd2+指示劑復合物的傳感器用于糖類的檢測。根據指示劑取代的原理，在中性條件下35 mmolL的10種糖類進行了區分。

3.2.4細胞、細菌及疾病的檢測將光化學比色傳感器陣列用于細胞、細菌及疾病的檢測也有一定的研究。Bajaj等[43]利用對苯撐乙炔共軛熒光聚合物構建傳感器陣列，對不同種類的癌細胞及等基因的正常細胞、癌細胞和轉移細胞進行了鑒別。共軛聚合物具有分子導線效應，可以增強信號的產生，并且，共軛聚合物鏈具有多個識別位點與分析物作用，既可以增加結合效率，又可以提高對特定分析物的選擇性。2011年，Kong等[35]根據熱化學發光現象構建了由6種納米催化材料組成的傳感器陣列，實現了12種人類細胞的鑒別。熱化學發光是指當有機物或生物物質被熱氧化而產生化學發光的現象。催化放大反應可以明顯增強熱化學發光強度而使靈敏度提高，并且檢測結束后可以通過在更高溫度下使分析物降解而達到傳感材料再次利用的目的。Carey等[34]構建了含36種指示劑的傳感器陣列，通過檢測細菌生長產生的揮發性有機化合物，實現了對10種細菌的鑒別。Mazzone等[44，45] 采用比色傳感器陣列，通過檢測人呼出的氣體，借助于癌癥細胞與正常細胞代謝過程中產生揮發性氣體的差異，實現了對肺癌的早期診斷。但比色傳感器陣列對于復雜混合物的分析仍然存在較大的瓶頸，要篩選出足夠多的對多種分析物具有不同親和力的指示劑仍存在一定的困難。分子印跡技術可以在印跡聚合物合成過程中通過不同模板及單體的選擇而獲得對多種分子具有不同親和力的分子印跡材料，結合了分子印跡等分離技術的傳感器陣列將會在疾病診斷中發揮重要的作用[46]。

3.3離子和小分子的檢測

3.3.1金屬陽離子的檢測金屬陽離子是生命科學、環境科學、農業和醫學等許多領域的研究對象，對金屬陽離子的檢測和識別是的重要任務之一。光化學比色傳感器陣列為金屬陽離子的檢測提供了方便、快速、廉價的方法。Abbaspour等[47]構建了一個以紙為基質的光化學比色傳感器陣列，快速地對Fe2+和Fe3+進行了定性和定量檢測。Li等[48]利用DNA探針構建傳感器，通過傳感單元顏色的變化對重金屬離子Hg2+進行定性和定量檢測，靈敏度達0.1 nmolL。本課題組也在重金屬離子的比色傳感器陣列快速檢測上進行了大量研究[49，50]， 通過使重金屬離子溶液透過固載有指示劑的多孔硅膠基質膜，達到富集效果，提高重金屬離子的檢測靈敏度。鋰鹽是治療躁狂癥和雙相情感障礙的首選用藥，其藥物濃度是情感性精神疾病診斷、治療、監測、預防復發和病因學研究的重要指標。2009年，Severin研究組[51]合成了1種三核的大環熒光化合物，對Li+具有很強的選擇性，在過量Na+存在的水溶液和血清中均能對Li+進行很好地檢測。但該實驗中，熒光化合物的合成過程非常復雜，且傳感器整體的熒光強度也較弱。基于前期工作，該研究組隨后設計了一種更簡單有效的傳感器陣列[52]。在中性緩沖溶液中，將商品化的二羥基吡啶配體和Ru的復合物以及熒光物質（HPTS）混合，含HPTS的大環化合物通過自組裝的方式形成，并使HTPS的熒光猝滅。加入Li+后，熒光增強。該傳感器對Li+有很好的選擇性，檢測濃度低于1 mmolL。

2012年，Anzenbacher等[53]利用納米纖維，制造了一種可穿戴的傳感器，用于金屬離子的檢測。分別摻雜有丹磺酰氯和多胺的兩根納米纖維本身均不帶熒光，而在兩根納米纖維的交叉點處，兩種物質發生反應，生成熒光物質。加入金屬離子后，熒光會相應地增強或減弱。每個傳感單元的體積非常小，僅為10_Symbolm@@_18 L。每個傳感單元約能容納1000個熒光探針分子，使熒光比較集中，從而有利于用光學顯微鏡進行檢測。該實驗采用3種熒光前體和3種多胺構建了熒光陣列傳感器，通過4個熒光發射通道檢測加入金屬離子后熒光的變化，對200 olL的10種金屬離子進行了準確的區分。并且，將該納米纖維制成的傳感器氈沉積到丁腈手套上，用于20 olL Co2+溶液的檢測，熒光猝滅現象非常明顯。

3.3.2陰離子的檢測相對于等電位的陽離子來說，無機陰離子半徑更大，因而電荷半徑比更小，從而降低了陰離子與受體的靜電結合效率；并且，陰離子有相對高的溶劑化自由能，需要受體與介質進行有效的競爭，這種效應在水溶液中尤其明顯。因此在水溶液中，無機陰離子比陽離子的檢測更困難，陰離子的檢測往往是衡量新檢測方法的一個重要指標[54，55]。Palacios等[54]以聚氨酯水凝膠為基底，構建了一種含8個傳感單元的傳感器陣列，聚氨酯水凝膠不僅為傳感單元提供機械支持， 還有助于萃取目標陰離子。該傳感器對F_Symbolm@@_和HP2O73_Symbolm@@_具有選擇性，而對AcO-，Cl-等陰離子有明顯的交叉響應，可對10種陰離子進行區分，已成功地應用于不同品牌牙膏的鑒別。傳感器陣列與10種陰離子反應后產生不同的顏色改變（其中NO-3與HSO-4濃度為20 mmolL，其余陰離子濃度為5 mmolL），即使用肉眼觀察，也能將10種離子區分開。Comes等[56]用含納米結合袋和染色劑的中孔固體材料應用于水中磷酸根的檢測，對磷酸的選擇性好，檢出限低于1×10-4 molL。2011年，本研究組[57]構建指示劑取代法傳感器陣列，對寬濃度范圍內多個濃度的Cl-， Br-和I-進行了準確區分。隨后，本組[58]采用類似方法構建傳感器陣列，對濃度為污水排放標準或飲用水標準的10種陰離子進行了有效區分，且可部分用于真實水樣的測定。

3.3.3有機小分子的檢測由于存在水的潛在干擾，水溶液中有機化合物的識別具有一定的挑戰[59]。光化學比色傳感器陣列成功地應用于水溶液中有機小分子的檢測，如羧酸[60]，胺類[61]，諾氟沙星[62]等。Greene等[63]將分子印跡聚合物與指示劑取代法相結合，構建傳感器陣列，成功用于7種胺類的區分。Zhang等[59]選擇了3類指示劑：與路易斯堿作用的含金屬離子的指示劑；與布朗斯特酸堿作用的酸堿指示劑，以及反映偶極變化的指示劑，并用這些指示劑構建了含36個基本單元的傳感器陣列，用于水溶液中多種有機物的區分。該傳感器將疏水指示劑固定到疏水膜上，因此不受溶液中鹽濃度、離子強度以及強親水物質的影響，已應用于20余種有機小分子的檢測，即使結構非常相似的物質也能被區別開。

3.4混合物的檢測

對于混合物的檢測，傳感器陣列模仿哺乳動物的嗅覺味覺系統，通過眾多傳感器單元與分析物之間的復合響應，而對各個混合物進行區分。傳統的混合物分析方法是通過聯用色譜、質譜等技術，對混合物中的各種成分進行逐一分析。對于成分復雜的混合物，這種方法往往耗時較長，且鑒于分離材料的局限，很難將所有成分逐一解析。很多情況下（如產品品質控制），對混合物進行分析，目標并不是分析混合物中的每種成分，而是比較幾種混合物之間的差別或者監測混合物發生的變化。傳感器陣列不能對混合物中每種成分進行鑒別，但卻能很好地應用于這種評估。光化學比色傳感器陣列在食品和飲料的質量控制方面已廣為應用，如不同香型白酒的鑒別[64]，不同品牌啤酒的區分[65]，肉類新鮮度的檢測[66，67]等。Zhang等[68]將25種商品化的指示劑固定到疏水膜上構建傳感器陣列，成功用于14種軟飲料的區分，并且能分辨出經脫氣和稀釋過的軟飲料。Musto等[69]用有機硅烷將指示劑固定，然后固載到多孔疏水膜上，構建傳感器陣列，用于大量天然和人工甜味劑的鑒別，多孔的固載材料使分析物和指示劑之間的反應加快，提高了反應效率。肉類在貯存、加工和運輸過程中容易受外界環境和微生物等影響，而產生腐敗變質，使品質下降，其新鮮度水平的評定非常重要。Huang等[66]將9種指示劑固載在反相硅膠板上構建傳感器陣列，用于魚肉新鮮度的評估。采用頂空方式，將傳感器陣列暴露在不同新鮮度魚肉中，根據傳感器陣列暴露前后的顏色變化對魚肉新鮮度進行分析，該方法也可用于高蛋白含量的其它食物的分析。