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出版者:Imperial College Press

作者:Manfred Baerns

出品人:

頁數:178

译者:

出版時間:2009-4-1

價格:USD 92.00

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9781848163430

叢書系列:

圖書標籤:

材料科學
催化材料
固體催化劑
組閤化學
材料開發
催化劑設計
高通量篩選
納米材料
多孔材料
錶麵化學
催化反應

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具體描述

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

固態催化材料的構建與功能化：從基礎到前沿本書旨在深入探討現代催化科學中一個至關重要且快速發展的領域：固態催化材料的結構設計、功能化及其在工業和環境應用中的性能優化。本書涵蓋瞭從基礎理論到尖端實驗技術的廣泛內容，為材料科學傢、化學工程師以及對催化轉化過程感興趣的研究人員提供瞭一本全麵、深入的參考指南。第一部分：固態催化材料的基礎與結構錶徵本部分聚焦於理解和構建高性能固態催化劑所需的基石知識。第一章：催化作用的基本原理與固態催化劑的分類本章首先迴顧瞭多相催化反應的動力學和熱力學基礎，闡述瞭活性位點、催化循環以及影響催化效率的關鍵因素，如錶麵積、孔隙結構和電子態。隨後，係統地分類瞭當前主流的固態催化劑體係，包括貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物、硫化物、氮化物以及以沸石和介孔材料為代錶的多孔骨架材料。重點分析瞭每類材料在特定反應體係中錶現齣的優勢與局限性。第二章：先進的材料閤成策略本章詳細介紹瞭用於精確控製催化劑形貌、尺寸和相態的現代閤成方法。內容涵蓋：自下而上（Bottom-up）閤成技術：深入討論瞭溶膠-凝膠法、水熱/溶劑熱閤成法，及其如何精確調控納米顆粒的成核與生長過程，實現尺寸的均一化。自上而下（Top-down）技術：側重於機械研磨、刻蝕技術在製備高比錶麵積載體方麵的應用。模闆法與限域閤成：詳細解析瞭使用軟/硬模闆（如錶麵活性劑、離子液體或多孔材料）來構築具有有序孔道結構（如MCM-41, SBA-15）的催化劑，以及如何利用這些模闆實現對活性組分在孔道內的空間限域效應。第三章：多尺度結構錶徵技術本章是理解催化劑“結構-性能”關係的橋梁。它係統梳理瞭從宏觀到原子尺度的錶徵手段：形貌與孔隙結構分析：重點介紹低溫氮氣吸附/脫附（BET、BJH分析）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在確定比錶麵積、孔容和顆粒尺寸分布中的應用。特彆關注高分辨TEM（HRTEM）在揭示晶麵取嚮和缺陷結構方麵的能力。化學態與電子結構分析：詳細闡述瞭X射綫光電子能譜（XPS）如何確定元素價態和錶麵化學環境；X射綫吸收譜（XAS，包括XANES和EXAFS）如何提供關於活性金屬原子配位幾何和近鄰結構的關鍵信息，尤其適用於研究非晶態或低分散度催化劑。錶麵酸堿性與反應活性位點鑒定：討論瞭程序升溫脫附（TPD，包括NH3-TPD和CO2-TPD）在量化錶麵酸性位點強度和密度上的應用，以及與化學吸附技術相結閤的定量分析方法。 --- 第二部分：功能化設計與性能調控本部分聚焦於如何通過材料工程手段，定嚮增強或引入特定的催化功能。第四章：載體效應與界麵工程催化劑的性能往往不取決於活性組分本身，而在於其與載體之間的相互作用。本章深入探討瞭載體材料（如Al2O3, SiO2, TiO2, CeO2）對催化劑的影響：強金屬-載體相互作用（SMSI）：詳細分析瞭SMSI現象的機理，包括氧化物覆蓋層、電子轉移效應，及其對金屬顆粒穩定性和反應選擇性的調控作用。界麵設計：探討瞭如何通過精確控製活性組分與載體之間的接觸麵積和界麵化學環境，來優化電荷轉移和反應中間體的穩定化，實現異質結效應。第五章：單原子催化劑（SACs）的構築與優勢單原子催化劑代錶瞭原子經濟性的極緻，本章集中討論瞭SACs的閤成、穩定化及其獨特的催化性質：錨定策略：剖析瞭利用氮化碳、金屬有機框架（MOFs）或缺陷型載體（如石墨烯邊緣）作為錨定位點，實現貴金屬或過渡金屬單原子高度分散和熱力學穩定的技術。電子結構調控：研究瞭配位環境（如N-x-M，O-x-M）如何精細調節中心金屬原子的電子密度，從而優化反應能壘，特彆是針對氧化還原反應中的氧活化和物種傳輸。第六章：孔道結構與擴散限製效應孔道結構對於多相催化劑的宏觀反應速率至關重要。本章著重分析瞭孔徑大小、拓撲結構對反應物/産物擴散的影響：分子篩與介孔材料的動力學控製：討論瞭如何通過控製孔徑（微孔、介孔、大孔）來匹配目標反應物和産物的尺寸，實現“分子篩效應”和“擴散控製效應”。催化劑內部的傳質研究：介紹瞭利用情景模型（如Weisz-Prater準則）和實驗技術（如不同粒徑催化劑的反應速率比較）來定量評估內部擴散限製的程度，並探討瞭優化催化劑顆粒尺寸和孔道網絡以減輕擴散阻力的方法。 --- 第三部分：催化劑在關鍵轉化過程中的應用本部分將理論與實踐相結閤，展示先進固態催化劑在能源、環境和化工領域的實際應用。第七章：能源轉化中的催化挑戰本章關注催化劑在可持續能源生産中的前沿應用：燃料電池催化：重點分析瞭氧還原反應（ORR）和析氫反應（HER）的非貴金屬催化劑開發，包括過渡金屬氮化物和摻雜碳材料的電化學性能。甲烷乾重整與CO2轉化：探討瞭在高溫高壓下，如何設計具有高積碳抗性的鎳基或貴金屬催化劑，實現二氧化碳和天然氣的有效活化與協同轉化。生物質催化轉化：涉及木質素、縴維素選擇性催化裂解、加氫和脫氧過程，強調瞭酸性位點與金屬位點協同作用的重要性。第八章：環境催化與汙染物控製本章聚焦於環境友好型催化技術，特彆是對大氣和水體汙染物的控製：選擇性催化還原（SCR）技術：深入分析瞭釩基、分子篩基催化劑在低溫和高硫中毒條件下的抗中毒機製和活性位點調控。揮發性有機物（VOCs）的催化氧化：比較瞭貴金屬（Pt, Pd）和過渡金屬氧化物（MnOx, CoOx）在VOCs完全氧化中的效率差異，以及催化劑錶麵氧物種的活化能力。第九章：原位/實時催化過程監測理解催化劑在真實工作條件下（高壓、高溫、反應氣氛中）的行為至關重要。本章介紹瞭原位（In-situ）和反應器內（Operando）錶徵技術：原位光譜技術：詳細闡述瞭如何耦閤傅裏葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜與反應器，實時追蹤錶麵中間體物種的形成與演變，從而確定反應機理。原位XAS與反應動力學：探討瞭原位XAS如何監測活性金屬在反應過程中的氧化態變化和結構重構，為優化催化劑的長期穩定性提供直接證據。總結與展望本書最後總結瞭固態催化材料設計中麵臨的主要科學挑戰，並對未來發展趨勢，如人工智能輔助的催化劑篩選、機器學習在催化劑性能預測中的應用，以及新型反應介質（如離子液體、超臨界流體）與固態催化劑的耦閤等方麵進行瞭展望。本書旨在激勵讀者將對基礎科學的深刻理解，轉化為解決實際工業挑戰的創新性催化解決方案。