氨合成催化剂：创新与实践

　　合成氨是极其重要的化工产品，氨合成催化剂的重要性不言而喻。催化合成氨基础知识的进步对其它领域的催化剂研究有较大的影响。《氨合成催化剂：创新与实践》从理论与实践相结合的视角，全面系统地论述了氨合成催化剂研究、开发和工业应用的基本理论和方法，阐述了氨合成催化剂制备的理论、方法、实验技术及相关的催化反应机理、催化反应器、反应工程与工艺及其应用。作者刘化章教授从事氨合成及其催化剂的开发研究数十年。《氨合成催化剂：创新与实践》以作者获国家发明二等奖的Fe1-xO催化剂为主线，结合其多年研究成果，全面、系统地论述有关氨合成催化剂（包括钌催化剂）的理论和相关技术问题。《氨合成催化剂：创新与实践》尤其注重理论与实践密切结合，既具有一定的理论深度，又与催化剂研发、工业应用和工程技术相结合。既有作者的实践基础，又汲取国内外的研究成果，并涉及基本原理和科学基础。《氨合成催化剂：创新与实践》同时阐述了根据催化剂性能选择工业应用条件及其对催化过程经济效益的影响，并介绍了近年来氨合成催化剂研究的新探索、新技术，包括光催化、电催化、生物催化以及氨的新用途等方面的新成果、新进展。《氨合成催化剂：创新与实践》可供广大从事催化剂研究、开发和有关工业的科研人员、高校师生和工程技术人员参考。

　　刘化章，1940年3月出生，浙江文成人。1964年毕业于浙江化工学院（现浙江工业大学）化学工程系，1982～1984年赴日本横滨国立大学进修，1996～1997年在日本北海道大学做高级访问学者。历任浙江工业大学讲师、副研究员、研究员、博士生导师、工业催化研究所所长；浙江省多相催化重点实验室主任、浙江省工业催化重点学科带头人；中国化工学会理事、中国化学会催化专业委员会委员、《ChineseJ0urnal0fChemlcalEnglneeRIng》、《石油化工设备》、《工业催化》等杂志编委；第八届、第九届浙江省政协委员；美国科学发展协会（AAAS）会员。1970年开始氨合成催化剂及其工程技术的研究、开发和工业化应用，发表论文200余篇，1983年获国家发明三等奖，1987年获国家科技进步二等奖，1995年获国家发明二等奖以及浙江省及化工部科技进步一等奖。在氨合成催化剂研究方面的主要贡献是：（1）建立了我国第一套氨分解分子筛净化一隔膜式压缩机同体四槽反应器构成的高压实验装置，修正了传统的催化剂评价实验方法，并被审定为国家行业标准和仲裁装置；（2）发现了驼峰形活性曲线，修正了沿袭几十年的经典火山形曲线；突破了Fe304体系，创立了Fe1一XO基催化剂新体系，开发成功了A110-2、A30l、ZA-5等系列新型氨合成催化剂；（3）提出了铁氧化物分子比的概念，建立了活性与铁氧化物之间的数学模型和活性模型，提出了制备高活性熔铁催化剂的单相性原理和均匀性原则，建立了熔铁催化剂制备的理论基础；（4）提出了铁氧化物“竞争性还原机理”、“表面酸碱协同作用”、“FeO歧化机理”、“CaO是Fe1一xO基催化剂主要结构助催化剂”等系列新观点，对驼峰形活性曲线、火山形活性曲线以及Fe1-xO基催化剂高活性机理做出了诠释；（5）广泛开展催化反应工程研究，在实验技术、催化剂制造技术、新型反应器、应用技术、催化反应工程以及合成系统模拟与优化计算等各个方面做出了系统的创新，形成了一套特有的使用新型催化剂综合节能技术，使技术创新产生集群效应，把催化剂的研究和使用提高到新的高度，提升了合成氨工业的技术水平。刘化章从事教学科研工作40余年，培养了一批博士、硕士研究生。先后荣获浙江省功勋教师、浙江省科技进步重大贡献奖、浙江省特级专家、国家有突出贡献的中青年科技专家、全国有突出贡献的留学回国人员、全国五一劳动奖章、侯德榜化工科学技术奖成就奖和全国“杰出专业技术人才”等荣誉称号。

Preface
Foreword
Chapter 1.Historical Evolution of Catalysts for Ammonia Synthesis
1.1 Introduction of Catalysts for Ammonia Synthesis
1.1.1 Co-Mo hydrogenation catalysts
1.1.2 Zinc oxide desulfurizer
1.1.3 Hydrocarbon steam reforming catalysts
1.1.4 CO high-temperature shift catalysts
1.1.5 CO low-temperature shift catalysts
1.1.6 Methanation catalysts
1.1.7 Refine catalysts
1.2 Historical Retrospect of Catalysts for Ammonia Synthesis
1.2.1 Basic studies on physical chemistry of ammonia synthesis reaction
1.2.2 Realization of ammonia synthesis under high pressure
1.2.3 Development of fused iron catalysts for ammonia synthesis
1.2.4 Development of ammonia synthesis catalysts in China
1.2.5 Development trend of ammonia synthesis catalysts
1.3 Development of Magnetite (Fe304) Based Fused Iron Catalysts
1.3.1 Magnetite (Fe304) based fused iron catalysts
1.3.2 Development of Fe304 based catalysts containing cobalt
1.4 Discovery of Wiistite Based Fused Iron Catalysts
1.4.1 Search for new breakthrough of the technique
1.4.2 Activity of wiistite (Fe1-xO) based catalysts
1.4.3 Reduction of Fe1-xO based catalysts
1.4.4 Technical characteristics of wiistite-based catalysts
1.4.5 Significance of the Fe1-xO-based catalysts in theory
1.4.6 Industrial application
1.5 Discovery of Ruthenium Based Catalysts
1.5.1 Properties of the elements in the activation of dinitrogen
1.5.2 Properties of the elements in ammonia synthesis
1.5.3 Alloying effect
1.5.4 Activated carbon supported ruthenium catalysts for ammonia synthesis
References
Chapter 2.Catalytic Reaction Mechanisms of Ammonia Synthesis
2.1 Introduction
2.1.1 The development of catalysis theory
2.1.2 The chemical essences of catalysis
2.1.3 The methodology of catalytic investigation
2.2 Adsorption and Heterogeneous Catalysis
2.2.1 Adsorption and heterogeneous catalysis
2.2.2 Non-uniformity of the surface of heterogeneous catalysts
2.2.3 Isotherms of chemisorptions
2.2.4 Rate of adsorption: Elovich equation
2.2.5 Chemisorption state
2.2.5.1 Chemisorption states of hydrogen
2.2.5.2 Adsorption states of nitrogen
2.2.5.3 Infrared spectroscopy study of nitrogen adsorption
2.2.5.4 The study of electronic energy spectroscopy for nitrogen adsorption
2.2.5.5 The study of adsorption of N2 on non-iron metals
2.3 Mechanism of Catalytic Ammonia Synthesis Reaction
2.3.1 Elementary reactions
2.3.2 Catalytic reaction mechanisms for ammonia synthesis
2.3.2.1 The mechanisms of ammonia synthesis reaction
2.3.2.2 The mechanisms of ammonia decomposition
2.3.2.3 Isotope exchanges of N2
2.3.2.4 Distinguishing reaction mechanisms
2.3.3 Analysis of microreaction (intrinsic) kinetics of ammonia synthesis
2.3.3.1 Analysis of reactor
2.3.3.2 The conclusion of microkinetic analysis
2.4 Kinetics of Overall Reactions for Ammonia Synthesis
2.4.1 General relation between overall reaction and elementary steps
2.4.2 Two-step sequences
2.4.3 Fundamental hypothesis of Temkin theory
2.4.4 The reaction rate equation of Temkin-Pyzhev for ammonia synthesis
……
Chapter 3.Chemical Composition and Structure of FusedIron Catalysts
Chapter 4.Preparation of Fused Iron Catalysts
Chapter 5.Reduction of Fused Iron Catalysts
Chapter 6.Ruthenium Based Ammonia Synthesis Catalysts
Chapter 7.Performance Evaluation and Characterization of Catalysts
Chapter 8.Performance and Application of Catalysts
Chapter 9.Effect of Catalyst Performance on the Economic Benefits of Catalytic Process
Chapter 10.Innovation and Speculation
Index