Combinatorial Development of Solid Catalytic Materials pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Imperial College Press

作者:Manfred Baerns

出品人:

页数:178

译者:

出版时间:2009-4-1

价格:USD 92.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781848163430

丛书系列:

图书标签:

材料科学
催化材料
固体催化剂
组合化学
材料开发
催化剂设计
高通量筛选
纳米材料
多孔材料
表面化学
催化反应

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具体描述

The book provides a comprehensive treatment of combinatorial development of heterogeneous catalysts. In particular, two computer-aided approaches that have played a key role in combinatorial catalysis and high-throughput experimentation during the last decade evolutionary optimization and artificial neural networks are described. The book is unique in that it describes evolutionary optimization in a broader context of methods of searching for optimal catalytic materials, including statistical design of experiments, as well as presents neural networks in a broader context of data analysis. It is the first book that demystifies the attractiveness of artificial neural networks, explaining its rational fundamental their universal approximation capability. At the same time, it shows the limitations of that capability and describes two methods for how it can be improved. The book is also the first that presents two other important topics pertaining to evolutionary optimization and artificial neural networks: automatic generating of problem-tailored genetic algorithms, and tuning evolutionary algorithms with neural networks. Both are not only theoretically explained, but also well illustrated through detailed case studies

固态催化材料的构建与功能化：从基础到前沿本书旨在深入探讨现代催化科学中一个至关重要且快速发展的领域：固态催化材料的结构设计、功能化及其在工业和环境应用中的性能优化。本书涵盖了从基础理论到尖端实验技术的广泛内容，为材料科学家、化学工程师以及对催化转化过程感兴趣的研究人员提供了一本全面、深入的参考指南。第一部分：固态催化材料的基础与结构表征本部分聚焦于理解和构建高性能固态催化剂所需的基石知识。第一章：催化作用的基本原理与固态催化剂的分类本章首先回顾了多相催化反应的动力学和热力学基础，阐述了活性位点、催化循环以及影响催化效率的关键因素，如表面积、孔隙结构和电子态。随后，系统地分类了当前主流的固态催化剂体系，包括贵金属催化剂、过渡金属氧化物、硫化物、氮化物以及以沸石和介孔材料为代表的多孔骨架材料。重点分析了每类材料在特定反应体系中表现出的优势与局限性。第二章：先进的材料合成策略本章详细介绍了用于精确控制催化剂形貌、尺寸和相态的现代合成方法。内容涵盖：自下而上（Bottom-up）合成技术：深入讨论了溶胶-凝胶法、水热/溶剂热合成法，及其如何精确调控纳米颗粒的成核与生长过程，实现尺寸的均一化。自上而下（Top-down）技术：侧重于机械研磨、刻蚀技术在制备高比表面积载体方面的应用。模板法与限域合成：详细解析了使用软/硬模板（如表面活性剂、离子液体或多孔材料）来构筑具有有序孔道结构（如MCM-41, SBA-15）的催化剂，以及如何利用这些模板实现对活性组分在孔道内的空间限域效应。第三章：多尺度结构表征技术本章是理解催化剂“结构-性能”关系的桥梁。它系统梳理了从宏观到原子尺度的表征手段：形貌与孔隙结构分析：重点介绍低温氮气吸附/脱附（BET、BJH分析）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）在确定比表面积、孔容和颗粒尺寸分布中的应用。特别关注高分辨TEM（HRTEM）在揭示晶面取向和缺陷结构方面的能力。化学态与电子结构分析：详细阐述了X射线光电子能谱（XPS）如何确定元素价态和表面化学环境；X射线吸收谱（XAS，包括XANES和EXAFS）如何提供关于活性金属原子配位几何和近邻结构的关键信息，尤其适用于研究非晶态或低分散度催化剂。表面酸碱性与反应活性位点鉴定：讨论了程序升温脱附（TPD，包括NH3-TPD和CO2-TPD）在量化表面酸性位点强度和密度上的应用，以及与化学吸附技术相结合的定量分析方法。 --- 第二部分：功能化设计与性能调控本部分聚焦于如何通过材料工程手段，定向增强或引入特定的催化功能。第四章：载体效应与界面工程催化剂的性能往往不取决于活性组分本身，而在于其与载体之间的相互作用。本章深入探讨了载体材料（如Al2O3, SiO2, TiO2, CeO2）对催化剂的影响：强金属-载体相互作用（SMSI）：详细分析了SMSI现象的机理，包括氧化物覆盖层、电子转移效应，及其对金属颗粒稳定性和反应选择性的调控作用。界面设计：探讨了如何通过精确控制活性组分与载体之间的接触面积和界面化学环境，来优化电荷转移和反应中间体的稳定化，实现异质结效应。第五章：单原子催化剂（SACs）的构筑与优势单原子催化剂代表了原子经济性的极致，本章集中讨论了SACs的合成、稳定化及其独特的催化性质：锚定策略：剖析了利用氮化碳、金属有机框架（MOFs）或缺陷型载体（如石墨烯边缘）作为锚定位点，实现贵金属或过渡金属单原子高度分散和热力学稳定的技术。电子结构调控：研究了配位环境（如N-x-M，O-x-M）如何精细调节中心金属原子的电子密度，从而优化反应能垒，特别是针对氧化还原反应中的氧活化和物种传输。第六章：孔道结构与扩散限制效应孔道结构对于多相催化剂的宏观反应速率至关重要。本章着重分析了孔径大小、拓扑结构对反应物/产物扩散的影响：分子筛与介孔材料的动力学控制：讨论了如何通过控制孔径（微孔、介孔、大孔）来匹配目标反应物和产物的尺寸，实现“分子筛效应”和“扩散控制效应”。催化剂内部的传质研究：介绍了利用情景模型（如Weisz-Prater准则）和实验技术（如不同粒径催化剂的反应速率比较）来定量评估内部扩散限制的程度，并探讨了优化催化剂颗粒尺寸和孔道网络以减轻扩散阻力的方法。 --- 第三部分：催化剂在关键转化过程中的应用本部分将理论与实践相结合，展示先进固态催化剂在能源、环境和化工领域的实际应用。第七章：能源转化中的催化挑战本章关注催化剂在可持续能源生产中的前沿应用：燃料电池催化：重点分析了氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）的非贵金属催化剂开发，包括过渡金属氮化物和掺杂碳材料的电化学性能。甲烷干重整与CO2转化：探讨了在高温高压下，如何设计具有高积碳抗性的镍基或贵金属催化剂，实现二氧化碳和天然气的有效活化与协同转化。生物质催化转化：涉及木质素、纤维素选择性催化裂解、加氢和脱氧过程，强调了酸性位点与金属位点协同作用的重要性。第八章：环境催化与污染物控制本章聚焦于环境友好型催化技术，特别是对大气和水体污染物的控制：选择性催化还原（SCR）技术：深入分析了钒基、分子筛基催化剂在低温和高硫中毒条件下的抗中毒机制和活性位点调控。挥发性有机物（VOCs）的催化氧化：比较了贵金属（Pt, Pd）和过渡金属氧化物（MnOx, CoOx）在VOCs完全氧化中的效率差异，以及催化剂表面氧物种的活化能力。第九章：原位/实时催化过程监测理解催化剂在真实工作条件下（高压、高温、反应气氛中）的行为至关重要。本章介绍了原位（In-situ）和反应器内（Operando）表征技术：原位光谱技术：详细阐述了如何耦合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱与反应器，实时追踪表面中间体物种的形成与演变，从而确定反应机理。原位XAS与反应动力学：探讨了原位XAS如何监测活性金属在反应过程中的氧化态变化和结构重构，为优化催化剂的长期稳定性提供直接证据。总结与展望本书最后总结了固态催化材料设计中面临的主要科学挑战，并对未来发展趋势，如人工智能辅助的催化剂筛选、机器学习在催化剂性能预测中的应用，以及新型反应介质（如离子液体、超临界流体）与固态催化剂的耦合等方面进行了展望。本书旨在激励读者将对基础科学的深刻理解，转化为解决实际工业挑战的创新性催化解决方案。