催化（catalysis）是指利用催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率而不影響化學(xué)平衡的作用，它本質(zhì)上是一種化學(xué)作用，能顯著提高化學(xué)反應(yīng)速率。在反應(yīng)前后，其自身的組成和數(shù)量保持不變的物質(zhì)稱為催化劑，在催化劑參與下進行的化學(xué)反應(yīng)稱催化反應(yīng)。
1794年，伊麗莎白富勒姆（Elizabeth Fulhame）在其書中首次提出催化的概念。1835年，瑞典化學(xué)家永斯·貝采利烏斯將催化這個詞引用到化學(xué)學(xué)科中來的。1902年，W.威廉·奧斯特瓦爾德將催化定義為：“加速化學(xué)反應(yīng)而不影響化學(xué)平衡的作用。其中催化能加速化學(xué)反應(yīng)的原理是通過改變反應(yīng)機理來改變反應(yīng)活化能，從而改變反應(yīng)速率的。按照反應(yīng)體系的物相狀態(tài)可將化學(xué)催化分為均相和多相兩大類，而酶催化（生物催化），一般定義在這兩種之外。
催化是自然界中普遍存在的重要現(xiàn)象，幾乎遍及化學(xué)反應(yīng)的整個領(lǐng)域，因此研究催化具有重要的理論意義，有助于揭示物質(zhì)及其變化的基本性質(zhì)。同時催化作用的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如：當代石油化工的巨大成就與催化作用密切相關(guān)，現(xiàn)代利用石油產(chǎn)品，通過催化重整來大量生產(chǎn)苯和甲苯等芳香烴。又如合成氨、硫酸、硝酸等基本化工原料的生產(chǎn)也都離不開催化。
發(fā)展史
公元前，人類使用酵母和酒曲（生物酶催化劑）造酒，那是人類最早的酶催化應(yīng)用實例。而近代的催化作用研究始于18世紀后期，最早的報導(dǎo)是1781年帕莫爾（Pamentire）發(fā)現(xiàn)酸可以促進淀粉的糖化；1792年，卡爾·舍勒（Scheele）發(fā)現(xiàn)酸可以促進酯化反應(yīng)，而堿可以促進皂化反應(yīng)；1794年，伊麗莎白·富勒姆（Elizabeth Fulhame）在其書中首次提出催化的概念。1835年，瑞典人永斯·貝采利烏斯（Berzelius）給出了催化作用的最早定義: “催化反應(yīng)是可以被反應(yīng)后性質(zhì)不變的物質(zhì)加速的反應(yīng)。”期間，18世紀中葉，鉛室法制硫酸中用二氧化氮作催化劑是工業(yè)上采用催化劑的開始。1795年，戴曼（Deiman）利用熾熱的黏土使乙醇脫水變成乙烯是第一多相催化的實例。1806年，克萊門特（Clement）和德索米斯（Desormes）對當時已經(jīng)廣泛采用的鉛室法制硫酸進行了分析和改進。這些新現(xiàn)象、新體系的發(fā)現(xiàn)和研究，對催化和催化劑概念的形成和發(fā)展產(chǎn)生了推動作用。1875年，德國人E.雅各布建立了第一座接觸法生產(chǎn)發(fā)煙硫酸裝置，采用鉑催化劑，這是工業(yè)催化劑的先驅(qū)。鉑是第一個科學(xué)意義上的工業(yè)催化劑。
20世紀以來，催化工藝迅速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了一系列重要的金屬催化劑，催化活性成分由金屬擴大到氧化物，液體酸催化劑的使用規(guī)模擴大。催化劑研究者發(fā)明了許多催化劑制備技術(shù)，例如沉淀法、浸漬法、熱熔融法等，成為現(xiàn)代催化劑工業(yè)中的基礎(chǔ)技術(shù)。載體的作用及其選擇也受到重視，載體包括硅藻土、浮石、硅膠、氧化鋁等。1902年W.威廉·奧斯特瓦爾德將催化定義為：“加速化學(xué)反應(yīng)而不影響化學(xué)平衡的作用。1913年，德國巴斯夫（BASF）公司以磁鐵礦為原料，采用熱熔法生產(chǎn)鐵系氨合成催化劑，是催化工藝發(fā)展史上的里程碑。工業(yè)進步也大大推動了催化理論的發(fā)展，1927年L-H雙分子催化吸附理論及動力學(xué)方程的建立，1949年第一屆國際催化會議在賓夕法尼亞州立大學(xué)舉行，1962年催化學(xué)術(shù)期刊Journal of Catalysis誕生，這一系列標志性事件推動催化由相對盲目地探索朝著科學(xué)的方向逐步發(fā)展。
20世紀30~70年代是“催化”大發(fā)展時期，由于對戰(zhàn)略物資的需要，燃料工業(yè)和化學(xué)工業(yè)迅速發(fā)展，新的催化過程不斷出現(xiàn)，相應(yīng)的催化劑工業(yè)也得以迅速發(fā)展。1928年發(fā)現(xiàn)的多孔白土催化劑應(yīng)用于重油催化裂化過程（catalytic cracking）生產(chǎn)高辛烷值燃料。1936年E.J.胡德利開發(fā)成功經(jīng)過酸處理的膨潤土催化劑，用于固定床石油催化裂化過程，生產(chǎn)辛值為80的汽油，這是石油煉制工業(yè)的重大成就。1942年格雷斯-戴維森公司發(fā)明流化床微球形合成硅鋁裂化催化劑，不久即成為催化劑工業(yè)中產(chǎn)量最大的品種。
20世紀60年代，Exxon Mobil公司將分子篩作為新催化材料應(yīng)用于催化裂化，煉油工業(yè)催化裂化技術(shù)出現(xiàn)了重大突破。采用稀土改性分子篩裂化催化劑后，煉油裝置的生產(chǎn)能力和汽、柴油的產(chǎn)量大幅度提高。20世紀60年代以后化學(xué)工業(yè)中開發(fā)了許多以分子篩催化劑為基礎(chǔ)的重要催化過程，在此期間，美國環(huán)球油品公司開發(fā)的鉑-/氧化鋁雙金屬重整催化劑成為第一個重要的雙功能催化劑。20世紀70年代初期，出現(xiàn)了用于二甲苯異構(gòu)化的分子篩催化劑，代替以往的鉑/氧化鋁。20世紀80年代初，開發(fā)了從甲醇合成汽油的ZSM-5分子篩催化劑。在以后的石油化工、煤化工、碳一化工開發(fā)中，分子篩催化劑都發(fā)揮了重要作用。隨著技術(shù)發(fā)展，為了減少對環(huán)境的破壞，環(huán)保催化劑開始研制，1975年杜邦生產(chǎn)汽車尾氣凈化催化劑，采用的是鉑催化劑，經(jīng)過多年不斷改進，現(xiàn)在已發(fā)展成為機動車三元尾氣處理催化劑Pt-Pd-Rh/載體（TWC）。
目前，環(huán)保催化劑與化工催化劑（包括合成材料、有機合成和合成氨等生產(chǎn)過程中用的催化劑）、石油煉制催化劑并列為催化劑工業(yè)中的三大領(lǐng)域。以環(huán)境治理、保護為目的環(huán)境催化得到了廣泛重視，新型能源化工領(lǐng)域，如電催化、生物質(zhì)化學(xué)、光催化、納米催化等領(lǐng)域的催化技術(shù)正得到極大重視與研究開發(fā)。
原理
在催化反應(yīng)過程中，催化劑之所以能加快化學(xué)反應(yīng)速率，是因為催化劑在反應(yīng)過程中參與反應(yīng)，改變了反應(yīng)機理，降低了反應(yīng)的活化能。化學(xué)反應(yīng)A+B→AB，所需活化能為E，在催化劑C參與下，反應(yīng)按以下兩步進行：
，所需活化能為E?。
，所需活化能為E?。
E?、E?都小于E（見圖）。催化劑C只是暫時介入了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，催化劑C即行再生。就整個反應(yīng)過程而言，催化劑沒有發(fā)生質(zhì)量和性質(zhì)的變化。
按阿倫尼烏斯方程(式中A為指前因子；R為氣體常數(shù)；T 為熱力學(xué)溫度；E為活化能)，以反應(yīng)速率常數(shù)k表示的反應(yīng)速率主要決定于反應(yīng)活化能E，若催化使反應(yīng)活化能降低ΔE，則反應(yīng)速率即提高倍。催化反應(yīng)一般能降低活化能約10千卡/摩爾，若反應(yīng)在300K下進行，則反應(yīng)速率可增加約1.7×107倍。例如：合成氨的催化反應(yīng)；
催化反應(yīng)與非催化反應(yīng)的活化能實測反應(yīng)熱（?H???）為53.3 J，反應(yīng)自由能變化為-20J。根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)理論，該反應(yīng)在常溫常壓下能自發(fā)地進行。然而實際上在常溫常壓下放置幾年產(chǎn)物也是少量的。因為斷裂H—H鍵的活化能達418 KJ/mol以上，一般條件下，具有這一能量以上的分子數(shù)目太少，所以反應(yīng)物需要克服較高的勢壘才能轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，反應(yīng)速率較慢。當加入Fe，Ru，Os，Mo等催化劑后，反應(yīng)可快速完成。因為過渡金屬以其特有的空d軌道，與N?或H?形成配位化合物。N?或H?與金屬間的鍵合作用，削弱了重鍵或H—H鍵，這時使它們斷裂所需活化能要比自由狀態(tài)時低得多，即過渡金屬使N?和H?活化更容易克服勢壘，從而加速了生成氨的反應(yīng)速度。
催化劑
催化劑又稱觸媒，泛指在不改變反應(yīng)總標準約西亞·吉布斯自由能變化的情況下提高反應(yīng)速率的物質(zhì)。與催化劑相反，能減慢反應(yīng)速率的物質(zhì)稱為抑制劑。過去曾用的“負催化劑”一詞已不被國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會所接受，而必須改用抑制劑一詞，而催化劑一詞僅指能加快反應(yīng)速率的物質(zhì)。
催化劑可由單一物質(zhì)組成，也可由多種組分組成。工業(yè)運用的固相催化劑一般由主催化劑、共催化劑或助催化劑和載體三部分組成。其中主催化劑又稱為活性組分，是起催化作用的根本性物質(zhì)。例如，在合成氨所用的催化劑Fe-K2O/Al2O3中，若沒有K2O和A2lO3，則Fe雖然具有催化活性，但是其活性小，壽命短。相反，如果催化劑中沒有Fe，則催化劑一點活性也沒有。因此，F(xiàn)e是活性組分。有的催化劑的活性組分不止一種，而且能同時起催化作用，這種催化劑稱為共催化劑。助催化劑又稱為助劑，是提高活性組分的活性、選擇性以及改善催化劑的耐熱性、抗毒性、機械強度和壽命等性能的組分。載體是活性組分的基底或黏合劑。
催化劑的主要類型
化學(xué)催化劑
化學(xué)催化以催化劑與反應(yīng)物所處狀態(tài)不同，可分為均相催化和多相催化兩大類。一般多相催化劑指的是固體催化劑，其中包括過渡金屬，過渡金屬配位化合物，金屬鹽類的負載型催化劑，半導(dǎo)體型金屬氧化物，硫化物、分子篩、固體酸、固體堿以及絕緣性氧化物等幾類。而均相催化劑主要是可溶性過渡金屬配合物和鹽類，其中包括路易斯酸、堿在內(nèi)的酸、堿催化劑。
生物催化劑
生物催化劑是由生物產(chǎn)生的，用于自身新陳代謝以維持其生命活動的各種催化劑的總稱。包括酶、微生物菌體、動植物的組織及細胞等具有催化功能的生命物質(zhì)。
光催化劑
光催化劑是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光催化劑的種類有很多，如氧化物，硫化物，氮化物、過渡金屬的各種鹽等等。
電催化劑
電催化劑是指在電極／電解質(zhì)的界面上進行電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)時發(fā)生的非均相催化過程中能夠產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。常使用的電催化劑包括金屬、合金、金屬氧化物、配位化合物等，大多包含過渡金屬原子，其催化活性與這些原子存在可形成化學(xué)吸附鍵的空d電子軌道有密切關(guān)系。電催化劑主要是電極，有些情況下也包括溶劑和其他活性物質(zhì)。
催化類型
化學(xué)催化
均相催化
均相催化是指反應(yīng)物和催化劑均處于同一個物相中的催化作用，在均相催化中，催化劑會跟一種反應(yīng)物結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間物種（活化配合物），該中間物種又跟另一反應(yīng)物作用生成產(chǎn)物，同時再生催化劑。常見的均相催化主要包括酸、堿催化，配位催化和自由基引發(fā)催化等。其中，酸堿催化是最普遍而重要的一種催化反應(yīng)。例如，蔗糖水解反應(yīng)就是H+作催化劑的酸堿催化，其反應(yīng)如下：
均相催化劑具有活性中心均一、選擇性高、副反應(yīng)少、活化能低等一系列特征，化學(xué)動力學(xué)和機理的研究相對容易。但是，均相催化劑有難以分離、回收和再生的缺點。
多相催化
多相催化又稱非均相催化、異相催化，是指在反應(yīng)物與催化劑處于不同的物相中的催化作用，其中最常見的催化劑是固體，反應(yīng)物為氣體或液體。多相催化反應(yīng)通常可按下述七步進行：①反應(yīng)物的外擴散──反應(yīng)物向催化劑外表面擴散；②反應(yīng)物的內(nèi)擴散──在催化劑外表面的反應(yīng)物向催化劑孔內(nèi)擴散；③反應(yīng)物的化學(xué)吸附；④表面化學(xué)反應(yīng)；⑤產(chǎn)物脫附；⑥產(chǎn)物內(nèi)擴散；⑦產(chǎn)物外擴散。例如合成氨的反應(yīng)：
用鐵作催化劑，反應(yīng)機理有所改變。首先氣相中的氮分子被吸附在鐵催化劑的表面上，使氮分子的化學(xué)鍵減弱，繼而化學(xué)鍵斷裂離解為氮，氣相中的氫氣分子也同樣解離為H原子。同表面上的N原子作用，逐步生成＝NH、-NH?和NH?。在多相催化反應(yīng)中，固體催化劑對反應(yīng)物分子發(fā)生化學(xué)吸附作用，使反應(yīng)物分子得到活化，降低了反應(yīng)的活化能，而使反應(yīng)速率加快。固體催化劑表面是不均勻的，表面上只有一部分點對反應(yīng)物分子起活化作用，這些點被稱為活性中心。
多相催化具有操作簡便、對設(shè)備腐蝕小、產(chǎn)物易分離、催化劑可循環(huán)使用、對環(huán)境友好等特點，所以在工業(yè)生產(chǎn)中的催化作用大多屬于多相催化。但是，多相催化也有催化效率低、反應(yīng)條件不易控制的缺點。
生物催化
生物催化是指利用酶或者生物有機體（細胞、細胞器、組織等）作為催化劑進行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程。在生命活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，生物體內(nèi)的所有化學(xué)變化幾乎都是在酶催化下進行的。在生物催化過程中，酶提供了一條活化能需求較低的反應(yīng)途徑，從而促進反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化。同時，酶催化具有高效性、專一性和反應(yīng)條件溫和等特點。例如極少量脲酶就能催化水解尿素(NH?)?CO，但不能催化水解甲脲(NH?)(CH?NH)CO。大多數(shù)酶是由生物體產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)分子，離體的酶仍具有催化活性，可制成各種酶制劑應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。但由于酶在高溫、強酸、強堿等環(huán)境條件下容易被破壞，在反應(yīng)介質(zhì)中往往不穩(wěn)定，所以目前可用于工業(yè)化應(yīng)用的多酚氧化酶數(shù)量較少，生物催化劑成本較高，開發(fā)的周期較長。
光催化
光催化是一個過程，定義為“在紫外線、可見光或紅外線的作用下，在一種物質(zhì)即光觸媒參與化學(xué)反應(yīng)并吸收光的情況下，化學(xué)反應(yīng)的速率或引發(fā)的變化”。光催化最核心的概念是光催化劑吸收光能后，產(chǎn)生具有還原能力的電子e-和具備氧化能力的空穴 h+，e-和h+再將接觸到的其他物質(zhì)（H?O、污染物、重金屬離子、二氧化碳等）還原、氧化掉。當然，光催化劑的氧化還原能力有限，光催化劑的氧化還原能力取決于其導(dǎo)帶、價帶位置，導(dǎo)帶越負，還原能力越強；價帶越正，氧化能力越強。
光催化是一種表面現(xiàn)象，其一般機理是一個復(fù)雜的過程，包括五個基本步驟：第一步，反應(yīng)物擴散到催化劑表面；第二步，反應(yīng)物在催化劑表面吸附；第三步，反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面；第四步，從催化劑表面進行解吸產(chǎn)物；第五步，產(chǎn)物從催化劑表面擴散開來。光催化具有非常多的優(yōu)點：通過吸收太陽光來進行氧化還原反應(yīng)，比起其他治理環(huán)境污染的方法更加節(jié)能和環(huán)保；光催化反應(yīng)能產(chǎn)生高還原性的電子和高氧化性的空穴進行污染治理，快速達到理想的效果，具有高效性；反應(yīng)的中間產(chǎn)物乃至最終產(chǎn)物均是無毒無害的，具有環(huán)境友好型的特點，并在治理環(huán)境污染方面具有不可估量的作用。
電催化
在電場作用下，存在于電極表面或溶液相中的修飾物（可以是電活性和非電活性的物種），能夠促進或抑制在電極上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而電極表面或溶液中的修飾物本身并不發(fā)生破壞或改變的一類化學(xué)作用。這種“電化學(xué)+催化”的反應(yīng)方式被稱為“電化學(xué)催化”，簡稱“電催化”。在電催化過程中，電極可以是純電子導(dǎo)體，也可以是表面修飾后的電子導(dǎo)體，后者在反應(yīng)過程中既可以傳輸電子，又具備了活化反應(yīng)物或促進電子轉(zhuǎn)移的作用，因此能夠加速電化學(xué)反應(yīng)過程。所以，電催化反應(yīng)的實質(zhì)是通過改變電極表面修飾物（或表面狀態(tài)）或溶液相中的修飾物來大范圍地改變反應(yīng)的電勢或反應(yīng)速率，使得電極除了具有電子傳遞功能外，還能夠?qū)﹄娀瘜W(xué)反應(yīng)進行某種促進和選擇。例如：氫析出反應(yīng)就是常見的電催化反應(yīng)，過程如下；
質(zhì)子放電過程：
電化學(xué)脫附過程：
復(fù)合脫附過程：
催化理論
中間化合物理論
中間化合物理論最早由薩瓦蒂耶爾（Sabatier）提出，該理論指出，在催化反應(yīng)進行過程中，催化劑與反應(yīng)物生成不穩(wěn)定的中間化合物而激發(fā)了反應(yīng)物的活性，使反應(yīng)容易進行。在催化反應(yīng)中，中間化合物可以是一個或多個，根據(jù)化學(xué)性質(zhì)，這些化合物是非穩(wěn)態(tài)的。容易生成也容易分解。難于生成中間化合物或生成化合物后又難于分解的固體物質(zhì)都不能作為催化劑。因此，催化劑扮演了媒介的作用。它們的參與使一些本來不易活化的反應(yīng)物分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)。例如：合成氨
中間化合物理論曾經(jīng)在催化理論發(fā)展的歷史上發(fā)揮過巨大的作用，但隨著科技的進步，人類的認識的也在逐步深化，人類發(fā)現(xiàn)了它在非均相催化應(yīng)用中的局限性。一些重要的發(fā)現(xiàn)，如催化劑表面結(jié)構(gòu)、分散度對活性的影響、催化劑的活化與中毒等現(xiàn)象用該理論無力做出解釋。
活性中心理論
活性中心理論最早是泰勒(Taylor)提出的。該理論認為，固體催化劑表面不是全部都對反應(yīng)有活性，對反應(yīng)起催化作用的只是表面的一小部分所謂的活性中心。因為，固體表面不是均勻的完整結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶面上存在著大量晶格缺陷、棱角、坑穴，此外，還有晶粒粒度、形狀及成分上的差異。因此，每個部位不可能都處于同一狀態(tài)。
反應(yīng)物分子在催化劑表面上進行反應(yīng)必先進行吸附。在不同位置上的吸附有化學(xué)吸附、物理吸附之分，物理吸附強度最弱，化學(xué)吸附有弱有強，物理吸附和弱化學(xué)吸附改變不了反應(yīng)物分子的結(jié)構(gòu)。過強的化學(xué)吸附，雖容易使反應(yīng)物分子轉(zhuǎn)化為表面化合物，但生成的表面化合物卻難以分解，因此，它們對催化反應(yīng)幾乎不起作用。只有少量中等強度的化學(xué)吸附，才能對催化做出貢獻，這種吸附稱之為活化吸附，表面中間配位化合物通過它易生成，也易分解。適于活化吸附而能進行催化反應(yīng)的表面部位方可看做是活性中心。
催化劑中毒的研究對活性中心概念的建立起到了重要作用，例如：很多催化劑極易被硫化氫毒化，很微量的硫分即可使催化劑活性全部喪失，這種現(xiàn)象只能用活性中心理論加以解釋。
多位催化理論
多位催化理論是巴蘭金在研究簡單有機化合物(烯、醇、苯、閉鍵烴等)加氫、脫氫、脫水催化反應(yīng)的實驗基礎(chǔ)上提出的，該理論的提出第一次建立了固體表面結(jié)構(gòu)和活性中心的聯(lián)系。多位催化理論從幾何對應(yīng)性和能量對應(yīng)性兩個方面對活性中心做了具體的描述。這至少對有機反應(yīng)催化的機理解釋起到了重要作用。
幾何對應(yīng)性理論認為，催化劑表面上的原子幾何排列和原子之間的距離大小是影響活性十分重要的因素。活性高的部位與催化劑原子間的距離呈對應(yīng)關(guān)系。活性中心系由間距適中的2個、3個或多個原子組成。例如：在金屬催化劑的選擇上，取鉑系、鐵系等金屬作為催化劑進行乙烯加氫反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)金屬具有最佳活性。從而證明了幾何對應(yīng)性理論。但在有些元素晶型盡管符合要求，但幾乎沒有催化活性。所以選擇催化劑時，固體晶格與反應(yīng)物分子不僅應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)對應(yīng)而且晶格距離也應(yīng)合適。這一思路現(xiàn)在廣泛用于添加助催化劑以調(diào)節(jié)固體晶格距離，改善催化劑的活性上。
能量對應(yīng)性指出金屬原子與反應(yīng)物分子生成新鍵的鍵能大小在催化中具有的重要地位，各新鍵的鍵能的累加值也應(yīng)適中，才能使催化反應(yīng)順利進行。例如：具有立方晶系、晶格參數(shù)介于Pt、Ni之間的Cu。Cu與Pt、Ni相反，對環(huán)己烷脫氫、苯加氫沒有活性。巴蘭金對此用能量對應(yīng)性進行了解釋。
酸堿催化理論
反應(yīng)進行過程中沒有價鍵的變化，催化劑為酸性或堿性金屬氧化物，催化劑活性中心可以是無水狀態(tài)下的Lewis酸、堿位，或有水狀態(tài)下的B酸、堿位，也可能二者兼而有之。催化是通過H+、OH-或電子對的給受而進行的。不同的反應(yīng)需要不同強度的酸堿位。而催化劑活性則與表面對應(yīng)的酸、堿數(shù)目成正比。烴類的異構(gòu)化、裂解、水合、脫水、水解、縮合和聚合等都是運用了酸堿催化理論。例如：用H?SO?催化醇脫水生成烯烴，脫水過程如下：
酸催化的一般機理是，反應(yīng)物S接受質(zhì)子H+首先形成質(zhì)子化物SH+，然后不穩(wěn)定的SH+，再與反應(yīng)物R反應(yīng)放出H+而生成產(chǎn)物；而堿催化的一般機理是，首先堿接受反應(yīng)物的質(zhì)子，然后生成產(chǎn)物，堿復(fù)原。
半導(dǎo)體催化電子理論
半導(dǎo)體催化電子理論把催化作用描述為反應(yīng)分子與催化劑表面之間的一種電子傳遞過程，而擔負此傳遞任務(wù)的是用作催化劑的半導(dǎo)體(過渡金屬氧化物)導(dǎo)帶中的電子或滿帶中的空穴。因此金屬氧化物催化劑的導(dǎo)電性和逸出功、金屬離子的d電子組態(tài)、氧化物中晶格氧特性、半導(dǎo)體電子能帶、催化劑表面吸附能力等，都與催化劑的催化活性有關(guān)。過渡金屬氧化物催化劑的金屬離子有易變價的特性，廣泛用于氧化、脫氫、加氫、聚合、合成等催化反應(yīng)。蘇聯(lián)的沃爾肯斯坦于20世紀50年代提出該理論，由于半導(dǎo)體催化電子理論過分強調(diào)了“自由電子”的作用，以及催化劑的活性與其宏觀的電子遷移性能(如電導(dǎo)、電子逸出功等)之間的形式上的平行或反平行關(guān)系，因此而局限性較大。
絡(luò)合催化理論
中國的蔡啟瑞最系統(tǒng)的提出對絡(luò)合催化作用(見配位催化作用)的定性理論概念。絡(luò)合催化劑中中心體是由過渡金屬離子或原子構(gòu)成。絡(luò)合催化可能產(chǎn)生的四種效應(yīng)：即絡(luò)合活化作用、對反應(yīng)方向和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的選擇作用、通過價態(tài)可變的活性中心和其他配位體促進電子傳遞，以及實現(xiàn)電子和能量的偶聯(lián)傳遞作用，絡(luò)合催化目前更多應(yīng)用在均相催化上。配位（絡(luò)合）催化的作用機理是催化劑與反應(yīng)物中發(fā)生反應(yīng)的基團直接形成配位鍵構(gòu)成活性中間配位化合物，從而加速了反應(yīng)。例如，用PdCl2作催化劑，用空氣環(huán)氧乙烷成乙醛的反應(yīng)，首先是C2H4與H2O在Pd上配位，生成[Pd(C2H4)(H2O)]Cl2，然后再分解生成CH3CHO。并用CuCl2使Pd再生為PdCl2，反應(yīng)式可表示如下：
催化活化過渡態(tài)理論
該理論于1932年由E.尤金·維格納等人提出，后經(jīng)H.亨利·艾林和M.波拉尼等人發(fā)展和完善。1940年此理論首先被K.J.菜德勒等應(yīng)用于多相催化劑表面上的吸附、反應(yīng)和解吸。該理論認為反應(yīng)分子經(jīng)碰撞后接觸到催化劑就成為一個活化過渡態(tài)，再轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。由于催化劑表面活性中心的影響，被吸附的分子會變形而與催化劑形成活潑的吸附活化配位化合物，降低了反應(yīng)活化能，促進了反應(yīng)的進行。
活性集團理論
活性集團理論是在1939年由蘇聯(lián)的科博澤夫（Kobozev，N．L）提出的。該理論指出，活性中心是催化劑表面上非晶相中幾個原子組成的集團（即在金屬催化劑中，只是具有一定數(shù)目的原子集團才有活性）。并且認為催化反應(yīng)的反應(yīng)機理與活性集團中原子的數(shù)目有關(guān)。活性集團理論與多位理論的具有不同之處，該理論認為活性中心是非晶相的而不是晶相的。活性集團理論的活性集團的概念對催化科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生過很大影響，而且活性集團理論的要素現(xiàn)在仍起作用。
應(yīng)用
日常生活中的應(yīng)用
催化作用在人類的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，不斷影響著人類的吃、住、行等方方面面。在現(xiàn)代生活中，人們用加酶洗衣粉來洗滌衣物，洗衣粉中的酶制劑就是活細胞產(chǎn)生具有催化作用的物質(zhì)，可以將食品類油污、人體皮膚及油脂類污漬催化水解轉(zhuǎn)化成水溶性的物質(zhì)，這個過程就離不開生物酶的催化作用。在食品加工領(lǐng)域，催化也扮演著重要角色，微生物產(chǎn)生的酶就相當于一種天然的催化劑，幫助實現(xiàn)食物的轉(zhuǎn)化和制作。例如，發(fā)酵面團,就是酵母分泌的各種酶的催化作用下，將單糖轉(zhuǎn)化成CO?氣體，促進面團體積膨脹形成海綿狀組織結(jié)構(gòu)，改善面團的加工性能，使面團變得柔軟，容易延伸，有助于面團的成形操作。葡萄糖異構(gòu)酶可用來制造果糖漿；葡萄糖氧化酶可用來除去罐頭中殘余的氧；蛋白酶可用于肉類嫩化、酒類澄清；脂肪酸可用于食品增香，這些過程同樣也離不開各種酶的催化作用。
生命活動中的應(yīng)用
催化在生命活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，生物體內(nèi)各種物質(zhì)代謝過程是在酶的催化下進行的，物質(zhì)代謝過程就是一系列連續(xù)的酶促反應(yīng)。而物質(zhì)在體內(nèi)的新陳代謝是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，沒有酶的存在，物質(zhì)代謝紊亂必然會影響生命活動的正常進行。例如：人體的體溫可以維持在37℃左右離不開催化作用，體內(nèi)的微量金屬元素與蛋白質(zhì)結(jié)合形成金屬酶作為催化劑，加速食物中的糖、蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)氧化，從而將食物轉(zhuǎn)化為供人體活動需要的熱能。
工業(yè)中的應(yīng)用
催化作用不僅在生命活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在工業(yè)的生產(chǎn)等方面具有廣泛應(yīng)用和重要的作用。自從1836年瑞典化學(xué)家Berzelius提出催化定義以來，催化科學(xué)就一直在發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)過程，80%-90%以上都使用了催化技術(shù)，其中最常見的催化劑是固體，反應(yīng)物為氣體或液體，重要的化工生產(chǎn)如合成氨、接觸法制硫酸、氨氧化法生產(chǎn)硝酸、原油裂解及基本有機合成工業(yè)等幾乎都是氣相催化反應(yīng)。例如，哈伯法合成氨中，鐵催化劑被廣泛應(yīng)用。氮氣和氫氣在鐵催化劑的作用下，在適當?shù)臏囟群蛪毫ο路磻?yīng)生成氨氣。這一過程對于農(nóng)業(yè)氮肥的生產(chǎn)至關(guān)重要，為全球糧食產(chǎn)量的提升做出了巨大貢獻。同時，農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、炸藥等工業(yè)也要用到催化作用。
生態(tài)中的應(yīng)用
在廢水、廢氣等各類廢棄物的處理中也要用到催化作用。例如：隨著汽車保有量的持續(xù)增加，汽車尾氣排放引發(fā)的環(huán)境污染等問題也日益突顯，所以需要經(jīng)過凈化處理才能排放，用的主要就是三效催化技術(shù)（TWC）、催化氧化技術(shù)（DOC）、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）等。當尾氣流經(jīng)（TWC）三效催化劑時，涂層中的催化劑鉑和鈀就會促使尾氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成H?O和CO?；Rh基催化劑促使NOx，發(fā)生還原反應(yīng)生成氮氣和氧氣，從而降低污染。
在苯甲酸的生產(chǎn)中，通過采用高效新型催化劑和先進的催化技術(shù)進行生產(chǎn)，從而降低污染排放，如：以甲苯為原料，液相Co(Ac)?為催化劑合成苯甲酸，副產(chǎn)物中是沒有污染的水。
參考資料 >
催化.術(shù)語在線.2024-04-24
Elizabeth Fulhame, the 18th century chemistry pioneer who faded from history.chemistryworld.2024-05-18