《工业多相催化剂设计与研究的科学方法》是一本聚焦工业多相催化剂研发思想的专著。工业多相催化剂研发是过程工业中最复杂的工业实践，运行过程中高温、高压及多个反应并行。本书通过工业案例分析与科学研究结合，从催化材料、反应原料、反应器匹配、工艺优化、催化剂生命周期结构的动态变化、实时原位表征及智能设计数据等要素出发，论述与总结了工业多相催化研究的科学方法。
本书可供化学化工领域的研究人员、从事工业催化剂研发的专业人士以及相关专业的研究生参考，也可供对催化科学感兴趣的学者、相关工业领域的技术人员参考阅读。
第1章工业多相催化剂概述1
1.1工业多相催化剂的定义与分类1
1.1.1催化剂与催化作用1
1.1.2多相催化科学的发展1
1.1.3工业多相催化剂的分类3
1.2工业多相催化剂的发展历史3
1.2.1复合型金属氧化物/硫化物催化剂3
1.2.2负载型金属催化剂6
1.2.3酸碱催化剂8
1.2.4沸石分子筛催化剂9
1.3工业多相催化剂与反应器匹配12
1.3.1工业多相催化反应12
1.3.2工业多相催化剂的性质13
1.3.3典型工业过程中的催化剂-反应器匹配案例14
1.4甲醇合成工艺多相催化剂的设计19
参考文献21
第2章工业多相催化理论基础24
2.1多相催化反应的基本定义24
2.2多相催化反应的影响因素25
2.3工业多相催化反应机理的分类26
2.4多相催化反应的传质29
2.4.1固-气相催化反应中的传质29
2.4.2固-液相催化反应中的传质31
2.4.3强化传质的方法与技术32
2.4.4固体多相催化剂体表结构与反应性能33
2.4.5工业多相催化反应36
2.4.6针对苛刻条件的工业催化剂设计37
2.5分子吸（脱）附与反应41
2.5.1物理吸附与化学吸附42
2.5.2吸附势能曲线42
2.5.3吸附热44
2.5.4吸热吸附和放热吸附46
2.5.5吸附热与覆盖度的关系46
2.5.6吸附热在催化反应中的重要性48
2.6吸附速率和脱附速率49
2.6.1理想吸附模型的吸附和脱附速率方程50
2.6.2真实吸附模型的吸附和脱附速率方程51
2.7吸附平衡52
2.7.1吸附等温线52
2.7.2理想吸附模型的等温方程53
2.7.3真实吸附模型的等温方程55
2.8工业催化剂活性中心56
2.8.1催化活性中心的形成机制56
2.8.2工业反应条件下催化活性中心的稳定性57
2.8.3催化活性中心的动态变化过程以及与产品分布的关系58
2.8.4催化活性中心形成与变化的原位表征59
参考文献62
第3章工业多相催化剂活性中心的全生命周期67
3.1催化剂活性中心67
3.1.1固体催化剂中活性位点概念的起源67
3.1.2活性位点的类型67
3.1.3影响位点活性的因素68
3.1.4活性位点的复杂性70
3.1.5活性位点的标定74
3.2催化反应活性中心结构的动态变化76
3.2.1由反应物驱动的催化剂表面重构76
3.2.2反应温度驱动的催化剂表面在反应物气体中的重构84
3.2.3在催化过程中原位/工况表征催化剂86
3.3催化剂失活与活性中心结构90
3.3.1中毒91
3.3.2结焦与积炭101
3.3.3热降解和烧结108
3.4催化剂活性中心的再生过程113
3.4.1中毒催化剂的再生113
3.4.2因焦炭或炭失活催化剂的再生114
3.4.3烧结催化剂的再分散115
参考文献117
第4章工业多相催化剂的结构表征方法132
4.1现场原位技术的介绍与进展132
4.1.1“Operando”的定义与发展132
4.1.2Operando反应器133
4.1.3Operando红外光谱技术135
4.1.4Operando激光拉曼光谱技术138
4.1.5Operando X射线衍射和穆斯堡尔技术142
4.1.6Operando X射线吸收光谱144
4.1.7X射线光电子能谱（XPS）147
4.1.8Operando耦合联用表征技术149
4.1.9Operando技术的发展趋势153
4.2催化剂活性中心结构的认知154
4.2.1催化剂在高真空中的静态表面与在反应物介质中的动态表面154
4.2.2催化剂表面在高真空与同一反应物气相中存在差异的原因155
4.2.3催化剂表面复杂反应差异的本质157
4.2.4基于电子的in situ/Operando表征技术涵盖的压力区间158
4.3催化剂构-效关系构建158
4.3.1负载型金属催化剂158
4.3.2负载型金属氧化物催化剂163
4.3.3沸石165
参考文献167
第5章工业多相催化剂的工程化175
5.1催化剂制备方法175
5.1.1沉淀法176
5.1.2浸渍法185
5.1.3溶胶-凝胶法197
5.2工业多相催化剂成型203
5.2.1成型的目标203
5.2.2固定床反应器——颗粒状催化剂205
5.2.3固定床反应器——整体型催化剂212
5.2.4移动床反应器的催化剂217
5.2.5流化床反应器的催化剂218
5.3工业催化剂机械强度、抗毒稳定性及其寿命的测定和评价219
5.3.1机械强度的测定219
5.3.2抗毒稳定性的评价223
5.3.3工业多相催化剂的寿命227
参考文献232
第6章工业多相催化剂的设计方法239
6.1传统工业多相催化剂开发的一般过程240
6.1.1催化剂设计的框图程序240
6.1.2目标反应的热力学分析243
6.1.3目标反应的经济性分析244
6.1.4催化剂主要成分——活性组分的选择246
6.1.5催化剂载体的选择258
6.1.6催化剂次要组分的优化选择261
6.2催化剂优化设计模型262
6.2.1几何结构描述符263
6.2.2d带中心模型——电子特征描述符264
6.2.3能量描述符268
6.2.4复合描述符模型269
6.3催化剂设计与优化方法273
6.3.1遗传算法在催化剂设计方面的应用273
6.3.2机器学习在催化剂设计方面的应用277
6.3.3生成式人工智能282
6.4工业催化剂理性设计的挑战与展望283
6.4.1工业催化剂结构动态演变的普遍性与复杂性284
6.4.2实验试错法——“盲人摸象”与效率困局284
6.4.3经验法——催化剂静态结构知识库缺乏扩展有效性285
6.4.4理论预测法——真实数据的瓶颈286
6.4.5破解催化剂理性设计困局的利器——多种谱学联用原位技术287
6.5结语289
参考文献289
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