(H2N2)-Các chất xúc tác có thể tạo được ra từ rất nhiều vật liệu bao gồm các kim loại, oxít kim loại, sulfua kim loại và các oxit cách nhiệt. Tuỳ thuộc vào sử dụng, các vât liệu xúc tác có thể ở dạng không chất nền hoặc chất nền trên một chất mang. Dạng thực của chất xúc tác được quyết định bởi thiết bị đã định và phản ứng dùng xúc tác.
1. Các chất xúc tác kim loại không chất nền.
Một vài chất xúc tác công nghiệp được sử dụng ở dạng các kim loại không chất nền. Thông thường, một quá trình xúc tác yêu cầu một diện tích bề mặt kim loại lớn để giảm tối thiểu các yêu cầu cho chất xúc tác. Tuy nhiên, có một vài quá trình mà tốc độ phản ứng trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt xảy ra rất nhanh mà chỉ cần có một diện tích bề mặt kim loại hoạt động nhỏ là đủ. Các chất xúc tác kim loại không chất nền có rất nhiều dạng: dạng dây, dạng lá, dạng lưới, dạng hạt thô, dạng bột và dạng mảnh khung (Raney).
Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng dây, lá và lưới thường được gọi là các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng khối khi các hạt kim loại ở dạng khối. Thường thường các chất xúc tác này được sử dụng cho các phản ứng điều chỉnh sự truyền khối ở nhiệt độ cao.
“Black” là bột kim loại mà ta thu được khi khử muối kim loại hoặc ngưng tụ hơi kim loại. Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng bột thường được tạo ra từ các hạt kim loại tương đối lớn có diện tích bề mặt thấp. Những vật liệu này ít khi được sử dụng với một tỉ lệ lớn nhưng có thể được dùng trong các thiết bị trộn chất nhão gián đoạn trong ngành công nghiệp dược phẩm.
Các chất xúc tác kim loại không chất nền dạng khung được tạo ra nhờ ngâm chiết ra một thành phần từ một hợp kim, còn để lại các hạt hoạt động ở dạng vật liệu xốp có diện tích bề mặt lớn. Ví dụ điển hình cho loại này là chất xúc tác niken Raney. Chất xúc tác này được điều chế từ hợp kim niken-nhôm, nhờ ngâm chiết ra được hầu hết nhôm bằng dung dịch kiềm để giữ lại một chất xúc tác niken xốp. Niken Raney là một chất xúc tác hidro hoá rất tốt để sử dụng trong các thiết bị trộn bột nhão nhưng chúng dần được thay thế bởi các chất nền.
Ba ví dụ của phản ứng dùng chất xúc tác kim loại không chất nền được đưa ra trong bảng 3
Bảng 3: Các phản ứng dùng chất xúc tác kim loại không chất nền
2. Các chất xúc tác nóng chảy
Việc sản xuất các chất xúc tác nhờ làm nóng chảy các oxit không còn được sử dụng rộng rãi. Sản phẩm nóng chảy có diện tích bề mặt không đáng kể và phải đạt được điều này trong việc hoạt hoá chất xúc tác (ví dụ bằng cách khử). Trong phần này, chất xúc tác quan trọng nhất được tạo ra là chất xúc tác tổng hợp amoniac. Chất xúc tác này được sản xuất nhờ làm nóng chảy quặng Manhêtit cùng với các chất hỗ trợ thích hợp. Rõ ràng các kỹ thuật cũ không còn phù hợp với chất xúc tác nóng chảy và nguyên liệu phải được đúc, nghiền phân đoạn để có kích cỡ phù hợp.
3. Các chất xúc tác oxit
Các chất xúc tác oxit có thể dễ dàng chia ra làm 2 loại chính : chất cách điện và chất bán dẫn. Chất cách điện là những vật liệu mà những hạt cation ở trạng thái hoá trị 1. Các ví dụ cho loại oxít cách điện bao gồm Al2O3, SiO2 và 3Al2O3 và 3Al2O3.2SiO2. Các vật liệu này sử dụng chủ yếu như là axít rắn hoặc là bazơ rắn và như là chất nền cho các hạt hoạt tính xúc tác khác.
Các oxít bán dẫn là vật liệu mà trong đó các hạt kim loại được chuyển đổi qua lại tương đối dễ dàng giữa hai trạng thái hoá trị. Điều này có thể là giữa hai trạng thái ôxi hoá khác nhau như trong:
Fe2O3 « Fe3O4
hoặc sự chuyển đổi giữa ion dương và kim loại trung tính, giống các ôxít dễ bị khử như là ZnO và CdO. Các ôxít bán dẫn được sử dụng phổ biến hầu hết trong các phản ứng oxi hoá chọn lọc. Các ví dụ về các phản ứng xúc tác bởi các oxít được cho trong bảng 4.
Bảng 4. Các phản ứng được xúc tác bằng oxít
4. Các chất xúc tác có chất nền
Các hạt xúc tác thường được phân tán trên chất nền. Mục đích chính của việc sử dụng thành phần hoạt tính xúc tác cho chất nền là để làm tăng đáng kể sự khuyếch tán và sinh ra các chất hoạt tính cao. Khái niệm trước đây về chất nền là một chất trơ, dùng để làm phương tiện phân bố hợp phần cấu tử xúc tác đắt tiền, như là kim loại quý, để tận dụng được hiệu quả lớn hơn nữa của các kim loại so với kim loại dạng khối, ví dụ như là bột platin. Tuy nhiên, với các chất xúc tác kim loại thường thì việc sử dụng chất nền thường nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ ổn định của chất xúc tác. Điều này có thể đạt được nhờ sự tương tác phù hợp của các thành phần hoạt tính với chất nền. Do đó, việc lựa chọn chất nền là cực kỳ quan trọng trong việc thiết kế một chất xúc tác. Các đặc tính vật lý và hoá học cần có trong việc lựa chọn chất nền được đưa ra trong bảng 5
Bảng 5. Các tính chất vật lý và hoá học của chất nền
Mặc dù một bảng tóm tắt chi tiết các đặc điểm được liệt kê trong bảng 5 nhưng cũng nên biết rằng không một chất nền nào có thể đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu trên. Các vật liệu chất nền thường được sử dụng nhất là Al2O3, SiO2, 3Al2O3.2SiO2 và cácbon hoạt tính. Bảng 6 tóm tắt toàn bộ vật liệu chất nền sử dụng cho Tây Âu trong năm 1990. Một vài vật liệu khác được sử dụng giới hạn làm chất nền như là TiO2, MgO, Cr2O3 và Zn2O3 (ZnO2). Việc dùng Cr2O3 làm chất nền cho chất xúc tác là rất hạn chế bởi độc tính tự nhiên của nó.
Bảng 6. Lượng tiêu thụ chất nền xúc tác ở Tây Âu vào năm 1990
Như đã chỉ ra trong phần trước ( hình 1 và 2), vật liệu chất nền có thể ở dưới nhiều dạng khác nhau như là dạng khối cầu, dạng hạt, dạng ép trồi, dạng hình trụ và dạng bột. Những vật liệu chất nền này có thể được tẩm bằng muối kim loại của pha hoạt hoá cần dùng. Một chất nền dạng bột có thể được hợp nhập vào hỗn hợp để kết tủa hoặc chất nền có thể được kết tủa từ dung dịch trong quá trình sản xuất. Chất nền có cấu trúc như dạng nguyên khối (hình 2) thường không phổ biến mà trong đó các hạt hoạt tính thường được phân tán trên diện tích bề mặt lớn để tráng rửa toàn bộ bề mặt. Dạng khối thường là vật liệu sứ ở dạng khối đơn sắp xếp song song đều nhau, có các rãnh thẳng không nối liền nhau. Dạng chất nền này đặc biệt hữu ích vì độ giảm áp rất thấp của nó và điều thuận lợi này được tận dụng trong chất xúc tác cho khói xe ôtô để làm giảm tối thiểu năng lượng tổn thất của động cơ. Bảng 7 cho biết một vài chất xúc tác có chất nền.
Bảng 7 Các phản ứng dùng chất xúc tác có chất nền.
Ứng dụng của xúc tác kim loại/oxit trong công nghiệp vô cơ
1. Tổng hợp amoniac (NH3)
N2 + 3H2 ↔ 2NH3; ΔH = – 92kJ
Người ta tìm kiếm một chất xúc tác hoạt động tốt và ổn định để chuyển hệ đến trạng thái cân bằng ở nhiệt độ thấp nhất có thể. Trong khoảng những năm 1905 – 1910, các nhà hóa học như Haber, Bosch và Miltasch tại phòng thí nghiệm BASF đã có những cố gắng bền bỉ để tìm chất xúc tác thích hợp.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy một số kim loại có hoạt tính xúc tác như wonfam, urani, sắt, ruteni và osimi. Tuy nhiên độ bền của các chất xúc tác kể trên không cao. Sau nhiều năm nghiên cứu với các quặng sắt, người ta đã đạt được tiến bộ vượt bậc với một loại quặng sắt đến từ vùng Gallivare ở Thụy Điển. Phân tích thành phần của loại xúc tác này, thấy rằng có một ít oxit nhôm và oxit kali. Từ đó người ta cho rằng Al2O3 và K2O là những chất trợ xúc tác cho sắt. Bắt đầu từ năm 1914, loại xúc tác Fe/ Al2O3 và K2O được sử dụng ở quy mô lớn ở nước Đức. Loại xúc tác này cho đến nay vẫn còn được sử dụng.
2. Ôxi hóa amoniac
4NH3 + 5O2 –> 4NO + 6H2O
Bằng phát minh đầu tiên về xúc tác cho phản ứng oxi hóa NH3 là do Kuhlman năm 1938. Chất xúc tác được sử dụng là muội bạch kim (Pt). ứng dụng công nghiệp đầu tiên của xúc tác này phải chờ đến khi người ta sản xuất được amoniac có độ sạch cao. Để bảo vệ xúc tác ở nhiệt độ cao, người ta đã sử dụng hợp kim của Pt với 10% Rh, vật liệu này tốt hơn nhiều so với Pt nguyên chất. Người ta dệt xúc tác thành lưới, đường kính sợi là 0,06mm, với 1050 lỗ /cm2.
3. Xúc tác oxi hóa lưu huỳnh đioxit
2SO2 + O2 –> 2SO3
Phản ứng oxi hóa SO2 là một công đoạn trong quá trình sản xuất axit H2SO4. Trước đây người ta dùng xúc tác Pt trên chất mang. Tuy nhiên loại xúc tác này rất dễ bị ngộ độc bởi các hợp chất của asen. Ngày nay, xúc tác cho phản ứng oxi hóa SO2 được điều chế bằng cách làm nóng chảy V2O5 trong oxit của kim loại kiềm.
Hoahocngaynay.com
Nguồn Congnghedaukhi/Go.vn
