催化反应的基本原理精选(九篇)

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第1篇：催化反应的基本原理范文

关键词：高中化学教材;化学动力学;内容选取的比较;内容编排的比较

文章编号：1008-0546（2014）12-0055-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.022

化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的物理化学分支学科[1]，主要通过研究化学反应发生的具体过程和路径，认识化学反应从开始到完成的各个步骤（反应历程），从而探究出化学反应速率的大小及其影响因素，找到控制反应速率的方法，并将其应用到工业生产中，以满足工业生产的需要。化学动力学的研究对化工领域、化学、医学和食品等学科的发展具有重要意义。

高中阶段化学动力学的内容主要包括化学动力学基本理论和催化反应动力学的一些基础知识，是学生认识化学反应机理的基础，也是学生认识化学工业的起点。这部分内容看似简单，但是其蕴含的学科思维的教学价值不容忽视。通过这部分内容的学习，学生可以在明确化学变化的基础上，认识化学变化所遵循的基本原理和规律以及化学变化与时间的定量关系，建立对化学反应规律的微观认识，形成化学学科思维，了解到化学反应原理对科学技术和社会发展所起的重要作用，能对生产、生活和自然界中有关化学变化的现象进行合理的解释，增强探索化学反应原理的兴趣。

高中学生学习化学动力学部分内容的主要媒介是高中化学教材，教材中这部分内容的选取和编排直接影响学生的学习效果。世界发达国家高中化学教材在化学动力学的内容设计上特点各异。本文对中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的选取、编排和呈现特点进行了比较研究，并根据我国的教育现状和学情批判性地借鉴国外高中化学教材中这部分内容设计的可取之处，希望可以为我国高中化学动力学部分的教学及教材编写提供反思和参考。

一、内容选取的比较[2]

本文选取的研究对象依次是：人民教育出版社2007年出版的《化学2（必修）》[3]，《化学反应原理（选修4）》[4]（中国）;Glencoe/ McGraw-Hill出版公司2009年出版的Chemistry：Concepts and Application[5]（化学：概念与应用）（美国）;巴伐利亚教育出版社2009年出版的GALVANI Chemie 11・Ausgabe B[6]（德国）。

高中化学教材中化学动力学的内容主要包括化学动力学基本理论和催化反应动力学两部分。中美德三国高中化学教材中化学动力学的内容选取见表1。

1. 化学动力学基本理论内容选取的比较

高中化学教材中的化学动力学基本理论主要包括化学反应速率和反应速率理论两部分，从表1中可以看出：在化学反应速率内容的选取上，三个国家的高中化学教材中都选取了化学反应速率的定义、影响反应速率的因素及其规律。中国和德国的高中化学教材中选取的内容还包括：化学反应速率的表达式、计算、单位和实验测量。此外，德国高中化学教材中选取的内容还包括：平均反应速率，瞬时反应速率，离散程度的概念模型和RGT规则。

在反应速率理论内容的选取上，三个国家各不相同，德国高中化学教材选取的内容包括：碰撞理论和过渡态理论，其中碰撞理论介绍了化学反应发生的三个条件，分别是粒子必须发生碰撞、粒子必须具备一定的能量和粒子的碰撞必须在一定方向上;过渡态理论介绍了过渡态、放热反应的过渡态能量曲线图和活化能。中国高中化学教材选取的内容包括：简化后的有效碰撞模型，化学反应发生的两个条件，即分子必须发生碰撞（充分条件）和有效碰撞（必要条件）;过渡态理论中只选取了活化分子和活化能两个概念，并没有介绍过渡态理论的内容。美国高中化学教材选取的内容只有活化能，在此基础上介绍了化学反应发生的条件，即分子碰撞时必须具备一定的能量，理论要求较低。

2. 催化反应动力学内容选取的比较

高中化学教材中的催化反应动力学主要包括催化剂、酶和抑制剂三方面的内容，从表1中可以看出：在催化剂内容的选取上，三个国家的高中化学教材都选取了催化剂的概念、性质和催化作用原理。不同的是德国高中化学教材中还详细介绍了催化作用的两种方式，即均相催化和多相催化;在生物催化剂――酶的内容选取上，中国和美国的高中化学教材比较相似，选取的内容主要有：酶的概念、性质和实际应用;德国高中化学教材选取的内容主要有：酶的概念、性质，酶-底物复合物，酶的作用方式（模型），作用特异性，底物特异性，酶活性的影响因素以及酶的实际应用;在抑制剂内容的选取上，只有美国和德国高中化学教材中选取了抑制剂的概念和实际应用，此外德国高中化学教材中还介绍了三种类型的抑制作用及其特点。由此可以看出德国高中化学教材比较重视催化反应动力学这一部分，选取的内容比较全面。

二、内容编排和呈现的比较[7]

如何编排和呈现教材内容是编制教材中非常重要的一个方面。中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的章节分布如表2所示。

从表2中可以看到：中美德三国高中化学教材中化学动力学内容的编排顺序大体相同，都是在介绍化学反应速率概念的基础上，介绍外界因素对反应速率的影响及其应用，最后介绍催化反应动力学的内容;但是反应速率理论的内容在三国高中化学教材中的编排各不相同。各国高中化学教材中化学动力学部分的编排和内容呈现的具体情况如下：

中国高中化学教材中化学动力学的内容编排在两本教材中，必修2中首先介绍化学反应速率的定义，然后通过实验定性地介绍温度和催化剂对反应速率的影响，最后在科学视野中简单介绍催化剂和酶及其应用;选修4在此基础上，首先在绪言部分简单地介绍碰撞理论、活化分子和活化能，然后在第二章中定量地介绍反应速率的表达式，并呈现了测量反应速率的实验，最后进一步通过实验探究影响反应速率的因素及其规律，并从微观角度结合活化分子百分数和有效碰撞频率给予解释。因此中国高中化学教材中化学动力学部分采取螺旋式上升的编排方式。

美国高中化学教材中化学动力学的内容编排在第六章第3节的反应速率这一小标题中，首先在介绍活化能的基础上，从能量角度引出了化学反应发生的条件，即分子碰撞必须具备一定的能量;然后通过生活实例定性地介绍化学反应速率的概念和外界因素对反应速率的影响及其规律;最后介绍催化剂和抑制剂，其中重点介绍酶及其在生命体内的重要作用，简单介绍抑制剂的作用和实际应用。

德国高中化学教材中化学动力学的内容编排在第七章“反应速率和酶的催化作用”，共有十小节内容，第1节定量地介绍化学反应速率，通过测定盐酸和镁反应生成的气体体积这一实验，绘制出气体体积――时间曲线，然后读取相应时间上的气体体积，利用图解法计算平均反应速率，理解瞬时反应速率，呈现了定量计算化学反应速率的科学方法和具体过程。第2节从微观角度全面地呈现碰撞理论和过渡态理论的内容，并解释化学反应发生的条件和过程。之后从第3节到第5节通过设计探究实验依次介绍了固体表面积、浓度和温度对反应速率的影响及其规律，并运用模型和反应速率理论来解释各因素的影响规律，其中温度对反应速率的影响规律用RGT规则表示，即温度每升高10℃，反应速率提高一倍，此外还介绍了各因素的影响规律在生活和生产实例中的应用。第6节在介绍活化能的基础上，解释催化剂提高反应速率的原因，然后介绍催化剂、催化作用的两种方式及其过程和实例。最后从第7节到第9节详细介绍酶，依次介绍了酶的概念和性质、酶的作用方式和酶活性的影响因素，并呈现了酶在食品工业和生物分析中的应用实例。第10节介绍抑制剂的概念、作用和三种类型的抑制作用及其特点，在章末以概念图的形式展示本章知识点之间的联系。由此可以看出德国高中化学教材中化学动力学部分的内容体系完整，并以直线型编排。

三、结论

通过分析和比较中美德三国高中化学教材中化学动力学的内容选取、编排和呈现，得到以下结论：

（1）在化学动力学内容的选取上，德国高中化学教材既重视化学动力学基本理论部分，也重视催化反应动力学部分，整体内容选取的较系统;中国高中化学教材比较重视化学动力学基本理论的内容，淡化催化反应动力学的内容;美国高中化学教材中化学动力学部分的内容不仅少而且简单。

（2）在化学动力学内容的编排和呈现上，德国高中化学教材以直线型编排，通过展示学习知识的科学方法和过程，深入透彻地讲解概念和原理，而且通过一些生产生活实例和插图来体现知识的实用性，并在章末以概念图的形式展示本章知识点之间的联系，整体结构比较完整，有利于学生初步建立起化学动力学的知识体系;中国高中化学教材则采取螺旋式上升的编排方式，但是应用方面的内容不足，与现实生活有些脱节;美国高中化学教材是通过生活实例或者创设情境来编排和呈现教材内容，并重视知识的应用价值。

四、启示

普通高中化学课程标准中规定，化学教学要体现课程改革的基本理念，引导学生积极主动地学习，掌握最基本的化学知识和技能，了解化学科学研究的过程和方法;在实际教学过程中要尽量联系生产、生活实际，帮助学生拓宽视野，开阔思路，也要发挥实验的教育功能，重视探究学习活动，发展学生的科学探究能力。高中化学教材要为课程改革和教学服务，在分析和了解了中美德三国高中化学教材中化学动力学内容设计的特点之后，结合我国的教育现状及课程标准中化学动力学部分的内容标准，批判性地借鉴国外高中化学教材中化学动力学部分内容设计的可取之处，对我国高中化学教材中化学动力学内容的编写和实际教学提出如下启示：

（1）在化学动力学内容的选取上，我国应将与生活密切相关的催化剂和酶的知识以及应用实例更加丰富地编入高中化学教材;在化学动力学内容的编排和呈现上，我国高中化学教材应重视化学知识产生过程的呈现和科学方法的运用，为培养学生的科学思维能力提供真实的情境。

（2）在实际教学过程中，教师对于催化剂的应用案例应更加贴近时代和生活，让学生体验和认识到化学科学对人类生活的真实影响以及化学知识的实用性;还应注重从学生认知规律的角度出发，创设更多真实情境或生活实例来呈现化学动力学基础理论和催化剂的内容，使学生对知识的认识从感性认识逐渐上升到理性认识。

参考文献

[1] 天津大学物理化学教研室. 物理化学（下册）[M]. 北京：高等教育出版社，2009：507

[2] 田红，周青，杨辉祥. 英国“Advanced Chemistry”教材有机化学内容编排的评析[J].化学教育，2008，（3）：10-12

[3] 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：47-50

[4] 课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书化学反应原理（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：2-4，16-24

[5] John S. Phillips，Victor S. Strozak，Cheryl Wistrom，et al. Chemistry：Concepts and Applications[M]. New York：Glencoe /McGraw-Hill companies，2009：216-221

第2篇：催化反应的基本原理范文

关键词：工业催化；化学工艺学；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）02-0145-02

一、课程教学基本情况

石河子大学对化学工程与工艺专业和应用化学本科专业开设了《化学工艺学》，该课总学时36，总学分2，教材选用的是朱志庆和房鼎业编审、化学工业出版社出版的2013版《化学工艺学》。课程设置的目的是培养从事化工生产领域的设计、运行与研究开发工作的高级工程技术人才。

二、理论教学环节的改革

1.课程内容的改革。催化技术是现代化学工业的基础，80%以上的化学工业的生产需要使用催化剂。《化学工艺学》教材中几乎每一章都涉及不同类型的催化剂，然而大多数同学对工业催化剂及其应用条件还不太了解。因此本书中介绍了工业催化剂的类型、制备方法及其原理，使同学们对工业催化有直观的认识，在本书的绪论部分我们有针对性地介绍了一些不同种类催化剂的基础知识。

多相催化反应的共同特点是反应物在催化剂表面通过化学吸附生成活性中间体，在催化剂催化作用下，活性中间物进行化学反应生成产物，产物从催化剂表面脱附，催化剂得以复原。通常用“/”来区分载体与活性组分，如Ru/Al2O3表示钌负载在氧化铝载体上，Pt/SiO2则表示铂负载在氧化硅载体上。用“-”来区分各活性组分及助催化剂，如Pt-Sn/Al2O3表示铂和锡双金属催化剂负载在氧化铝载体上。通过这部分知识的学习，在教材中遇到不同催化剂时，同学们就能够自己进行判断：这种工业催化剂的活性组分是什么？载体用的是什么材料？一般来说，工业催化剂是一种多相化学反应过程，要求催化剂具有适宜的活性、高选择性和长的寿命，让同学们对工业催化剂有更加直观的了解。工业催化剂种类众多，制备方法各异，并且工业催化剂一般装填量巨大，因此给同学们介绍工业催化剂的制备方法是非常重要的。常用固体催化剂的制备方法有沉淀法、浸渍法、混合法、熔融法、沥滤法等。其中沉淀法和浸渍法是常用的制备方法，沉淀法是在含金属盐类的溶液中，加入沉淀剂，以便生成水合氧化物或碳酸盐的结晶或凝胶，再将生成的沉淀分离、洗涤、干燥和焙烧。浸渍法制备催化剂有所不同，首先制备催化剂载体，载体是一种多孔的吸附材料，再将待负载组分的可溶性化合物溶解在水或溶剂中，配制成一定浓度的浸渍液，用配置好的浸渍液与载体混合，吸附一定时间，滤去过剩溶液，固体经过干燥、煅烧和还原后制得负载型催化剂。固体催化剂最终都是以一定形态和尺寸在反应器中使用，这是为了使气体通过床层时不至于产生过大的压降，使气液在催化剂床层分布均匀。此外，工业催化剂还需承受搬运、装填和操作过程中气流冲击等破坏。这要求催化剂具有一定的机械强度，因此催化剂成型是非常重要和必要的单元操作。通常工业催化剂有柱状、球形、三叶草和空心形状等。在成型方式上，一般可分为自给造粒成型和强制造粒成型，自给造粒成型包括滚动成球、喷动床成球等。强制造粒成型有压片、挤条、破碎、滴液、喷雾干燥等。如Al2O3是最广泛使用的催化剂载体，其加入粘结剂后具有较好的塑性，可通过挤条的方法成型――类似于压面条的方法，一定粘度的Al2O3塑性体通过挤条机挤压成型，选择不同的挤出模具就可以制得各种形状的催化剂。催化剂制备完成后不能立即使用，还需经过煅烧活化才能填入反应器中使用。煅烧是通过热分解除掉易挥发组分而保留一定的化学组成，煅烧可以控制催化剂晶型、晶粒大小、孔隙结构和比表面积，同时提高催化剂的机械强度。为了形成催化反应所需的活性结构，催化剂一般还需进行活化处理，活化是将催化剂由钝态转变为活泼态催化剂的过程。通常可采用还原、氧化、硫化、羟基化等处理方法使催化剂活化。催化剂活化可以在反应器外进行，也可以直接在反应器中进行。

在之后的章节中，当工艺过程中有催化剂参与时，我们都会简单介绍所涉及的催化剂的特点及其制备方法，如第二章化工原料及其初步加工中。在介绍费托合成时，我们会简单介绍一下沉淀铁催化剂的制备方法，介绍近年来国内外对提高铁基催化剂的活性和选择性做的一些研究工作。在介绍合成气制甲醇的MTG工艺时，我们会介绍分子筛的特点，分子筛的几种重要的合成方法及其影响因素，以及分子筛择形选择性在工业催化上的重要应用。第三章无机化工产品典型生产工艺中，我们会介绍工业上甲烷水蒸气催化转化制合成气催化剂的制备，包括载体的选择、Ni担载量的选择、助剂的选择、担体表面改性的影响等。在氨的合成章节中，我们将详细介绍典型熔铁催化剂的制备方法：将一定量的精选磁铁矿粉、还原剂与适量的助剂混合，放入特殊的钢制炉内，通电后依靠物质的导电性及自身电阻，使混合物通电发热熔融，随后把高温熔浆迅速置入冷却槽内，冷却至室温后凝结成黑色坚硬固体，经粉碎、筛取一定粒度的催化剂，就可以得到合成氨熔铁催化剂。第四章基本有机化工产品典型生产工艺第4.3节，我们介绍了NiW/γ-Al2O3加氧催化剂的制备方法：将20～40目的γ-Al2O3载体于120℃干燥4 h，测试单位质量载体的吸水量，以活性组分担载量为依据，配制一定浓度的硝酸镍和偏钨酸铵盐的混合溶液作为浸渍液，将干燥后的氧化铝载体浸渍在此浸渍液中3 h，过滤出催化剂，在120℃下干燥3 h，然后在500℃下培烧4 h，得到不同Ni/W原子比的加氧催化剂。

2.理论教学方法的改革。化学工艺学中涉及的工艺流程图众多，典型的工艺包括合成氨工艺、氯乙烯制备工艺等，若采用传统的用粉笔板书的形式在黑板上画工艺流程度，不仅费时费力，而且授课过程枯燥，不利于学生理解。因此在教学中，我们采用多媒体教学，画出工艺流程图，并且在课件中制作了大量的生动的工厂现场照片、二维动画、三维动话等多种教学形式的改进。教学手段的多样化是提高教学效果的重要途径，采用该教学方式扩大了教学信息量，使学生对化工典型产品工艺流程有总体的、深刻的认识，激发学生学习的兴趣和热情。

三、实践教学环节的探索

虽然石河子大学化学工艺学这门课没有安排实践教学内容，但本校有多台大型专业实验设备，在理论课教学结束后，我们组织学生参观专业实验室，通过教师现场演示，使同学们了解小装置工艺流程和主要设备。我校目前现有的相关专业实验装置有：乙苯脱氢制苯乙烯，催化裂化装置，原油实沸点蒸馏仪，固定床催化加氢装置等。如在讲授催化裂化设备时，我们以流化床催化裂化装置为例，介绍装置的主要设备：流化床反应器，再生器，加热炉，分馏塔。通过运行装置，使同学们加深对催化裂化工艺流程及参数的理解。在讲授乙苯脱氢制苯乙烯时，我们会结合乙苯脱氢实验装置，给同学们介绍反应温度、压力对苯乙烯转化率的影响。教材中虽然没有介绍苯乙烯转化率的计算，但我们将根据装置自带的气相色谱分析仪，讲述苯乙烯转化率的计算方法。通过一系列实践教学改革，培养同学们对所学专业知识综合理解能力和应用实践能力，培养学生运用所学的化工专业知识，独立分析和解决化工生产中实际问题的能力。

四、结语

综上所述，改革后的《化学工艺学》课程在理论教学中引入了工业催化知识，以典型化工产品生产工艺为主线，课程以讲授为主，同时综合运用多媒体教学手段和“启发与互动式”等教学方法，将专业实验仪器作为实践性教学的重要组成部分引入到理论课教学中，使同学们深入理解化学加工过程的基本原理、工艺参数、流程组织、环境影响等，充分调动化工专业学生学习的积极性，培养学生运用化学工程与工艺基本原理解决实际生产问题的能力，收获了可观的教学效果。

参考文献：

[1]汪俊锋，常杰，阴秀丽，付严.改进共沉淀法制备Cu基甲醇催化剂[J].煤炭转化，2004，（02）.

第3篇：催化反应的基本原理范文

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们通过室内装饰装修来追求工作生活环境的舒适性和美观性，而随之带来的由挥发性有机物（VOCs）造成的室内空气污染问题越来越严重，室内空气品质（IAQ）越来越差。这些VOCs主要包括甲苯、甲醛、甲醇、三甲烷、苯及NH3等，它们不仅具有毒性，而且种类繁多，降解难度大，成为空气污染治理中的一个棘手问题。纳米TiO2光催化净化技术以温和的反应条件、较高的化学稳定性、低廉的价格、对人体和环境无毒无害、不会产生二次污染等优点，成为最具潜力的空气净化技术之一。

1纳米TiO2光催化作用的基本原理

TiO2是一种N型半导体氧化物，TiO2粒子的能带结构是由一个充满电子的低能价带（VB）和一个空的高能导带（CB）构成的，它们之间由禁带分开。当TiO2粒子受到能量（E）大于或等于禁带宽度（Eg）的光照时，价带中的电子会吸收光子的能量，越过禁带进入导带，从而在导带产生自由电子，同时在价带产生空穴，形成电子—空穴对。由于半导体的能带间缺少连续区域，所产生的电子—空穴对的寿命较长，在电场作用下分离并迁移到粒子表面。纳米TiO2的光催化作用主要依赖于光生空穴的强氧化能力，可夺取半导体纳米粒子表面有机物或溶液中的电子，使原本不吸收光的物质都被活化氧化，将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成•OH，再由•OH无选择地将有机物氧化，最终降解为CO2和H2O等简单的无机物。光生电子与O2反应生成•OH和O2-等活性氧类也能参与氧化还原反应。

纳米TiO2光催化降解室内VOCs的机理是利用生成的•OH、O2-等具有强氧化性的基团，将室内空气中的甲醛、甲苯等VOCs最终分解成CO2、H2O以及无机物等无害物质，达到消除VOCs的目的。VOCs降解过程可用下式表达：（略）。

2纳米TiO2光催化降解室内VOCs的应用

目前，以纳米光催化技术为基础的产品已经大量开发并涌入市场，如，纳米空气净化器、纳米TiO2涂料等。在此基础上，众多学者对纳米TiO2的制备、性能展开了深入的研究，并取得了可喜的成果。

2.1在净化器中的应用

由于以机械过滤达到净化空气目的的净化器只能去除空气中一定粒径范围内的颗粒物，还可能产生二次污染，对于室内VOCs的降解不能够起到理想的净化效果，于是，人们开始寻求新的思路。纳米TiO2光催化将VOCs氧化成CO2、H2O等小分子，具有良好的降解作用，被逐渐用于净化器的制备。市场上开始出现了以TiO2为光催化剂的各种不同型式的光催化空气净化器，主要包括：迭放组合式光催化空气净化杀菌装置、梳齿迭放组合式光催化空气净化杀菌装置、单元结构式光催化空气净化杀菌装置、管状光催化空气净化杀菌装置、面光源光催化空气净化杀菌装置等。但当污染物浓度较低时，光催化降解速率较慢，而且部分污染物不能完全矿化，会生成醛类、酮类以及有机酸等许多有害的中间产物，导致催化剂失活，影响净化效果，再加上纳米TiO2多为粉末状，难以回收，不符合可持续发展，因此纳米TiO2常通过固定和改性两方面提高对VOCs的降解效果。

国内学者古政荣等人提出了由支承体、活性炭和TiO2光催化剂组成的具有直通孔的多层结构的蜂窝状整体式净化网，具有净化效率高、气流阻力小、可以原位再生等特点。对空气中甲醛、甲苯、三氯乙烯、硫化氢和氨气的降解效率分别为98.5%、98.8%、99.5%、99.6%和96.5%。单兴刚等采用研制的固定床空气净化装置，在二氧化钛光催化剂中掺Ag，并以活性炭为载体，取得了优异的空气净化效果，一次通过净化装置灭菌率可达96%，甲醛降解率可达99%以上，出口处细菌浓度和甲醛浓度分别达到医院无菌室的要求和国家标准中对空气中甲醛浓度的要求。

总体来看，纳米TiO2的固定化主要方法是将TiO2粉末直接烧结或粘结在载体上的粉体烧结法，或将纳米级的TiO2负载在载体上形成均匀连续的膜状固定法。由于吸附剂不仅可以作为催化剂的载体，还能为光催化反应提供高浓度环境，提高光催化反应的效率，同时光催化作用降解吸附在吸附剂上的有机物，增强吸附剂的净化能力，延长了吸附剂的使用寿命，因此纳米TiO2常与吸附剂联用降解室内VOCs。催化剂的改性措施除了上述提到的金属离子掺杂外，还有表面光敏化、添加贵金属、催化剂表面预处理、金属表面沉积等方法，它们通过影响光生电子和空穴，进一步增强催化剂的活性。

2.2在涂料方面的应用

近几年，关于纳米TiO2涂料方面的报道越来越多，国内外很多研究者将纳米TiO2涂料涂于室内建筑材料或室内装饰品，用于降解室内VOCs。研究表明，纳米TiO2涂料在有效分解室内的有机污染物的同时能氧化去除空气中的氮氧化物（NOX）和硫氧化物（SOX）以及各类臭气等，且具有良好的抗菌效果。表1总结了不同制备方法的纳米TiO2涂料对室内VOCs的降解效果。

目前，纳米TiO2涂料的制备方法主要有共混法和原位聚合法。前者方法虽然简单，但难于解决纳米粒子团聚问题，而后者的使用具有较大的局限性。这些都严重地影响了纳米TiO2优异性能的充分发挥，为了充分有效控制团聚，提高分散稳定性，改善光催化活性，哈尔滨工业大学的姜洪泉以提高分散稳定性和改善光催化氧化活性为目的，采用溶胶-凝胶法，以锐钛矿型纳米TiO2粉体为载体、Na2SiO3为包覆剂、H2SO4为中和剂，制备了纳米TiO2/SiO2复合粉体，并确定了最佳包覆工艺条件：分散剂5027用量为2%（wt），分散液pH值为9.5左右，中和时间为2h，包覆温度根据对其光催化活性的不同要求可控制为23℃或80℃，包覆剂Na2SiO3用量为6%（wt），陈化液pH值为9.0左右。

第4篇：催化反应的基本原理范文

【关键词】碳四烯烃；歧化；丙烯；技术

随着经济的快速发展，丙烯产品已经广泛应用在社会生产的各个行业中，工业上生产丙烯的主要方法是裂解烃类，烃类在裂解过程中会产生大量的碳四烯烃副产物，随着社会对丙烯产品需求量的增加，碳四烯烃歧化制丙烯技术越来越受人们的关注。

1 碳四烯烃歧化制丙烯的原理

烯烃化合物在催化剂和歧化反应下，能转化成新的系统化合物，烯烃歧化反应的主要反应式如下：1―丁烯+2―丁烯丙烯+戊烯；2―丁烯+乙烯丙烯；1―丁烯乙烯+己烯；丙烯+1―丁烯乙烯+戊烯。上述的反应式都是可逆的，从上式可以看出2―丁烯更容易生成丙烯，因此，在生产过程中，可以将1―丁烯转换为2―丁烯，当乙烯、2―丁烯、1―丁烯共同存在时，主要反应为2―丁烯+乙烯丙烯和1―丁烯乙烯+己烯，但在反应过程中会产生己烯等副产物，因此，在反应过程中，要控制好反应条件，尽量减少反应副产物的产生。

2 OCT C4歧化工艺

2.1 歧化工艺

OCT 碳四歧化工艺是将新鲜的乙烯、乙烯二聚制1―丁烯过程中排出的正丁烯以及新鲜的正丁烯等三种物质一起放入固定歧化反应器中，在催化剂的作用下，使得正丁烯和乙烯歧化反应生成丙烯，没有反应完全的乙烯和正丁烯可以循环使用。采用OCT 碳四歧化工艺制丙烯，乙烯转换为丙烯的选择性接近100%，而丁烯转换为丙烯的选择性为97%，制备丙烯的乙烯和丁烯来源比较广泛，可以来源于各个炼厂的成产过程，也可以来自自蒸汽裂解装置。

2.2 催化剂

OCT 碳四歧化工艺使用的催化剂为WO3/SiO2，异构化催化剂为MgO，歧化和异构化可以在同一个反应器中进行，也可以在不同的反应器中进行，当WO3和MgO共同使用时，不仅会加快1―丁烯异构成2―丁烯，还能提高歧化反应效率。WO3催化剂是由氧化硅载体、钨氧化物、ⅠA、ⅡA族金属氧化物等三部分组成，氧化硅载体要具有比较高的比表面积，其比表面积最少要达到50m2/g，高纯氧化硅载体中，SiO2的质量分数要达到90%-99%；钨氧化物可以是悬浮液、钨氧化物前提，也可以是含水溶液；ⅠA、ⅡA族金属氧化物包括这些金属的氧化物、氢氧化物、碳酸盐等。

3 IFP公司C4歧化工艺

3.1 歧化工艺

IEP 碳四歧化工艺和OCT 碳四歧化工艺相比较，最大的特点采用低温铼系催化剂进行催化反应，整个反应过程能在低温的环境中完成。IEP 碳四歧化工艺是将包含1―丁烯、丁二烯、异丁烯的碳四烯烃转换为丙烯和聚异丁烯，整个转换过程分为3步，反应的第一步是在温度为20°-200°、空速为0.5h-1-10h-1、压力为1MPa-5MPa的环境中，在催化剂的作用下，用H2选择氢化丁二烯，并将1―丁烯转换为2―丁烯；反应的第二步是在酸性催化剂的作用下，将异丁烯聚合成聚异丁烯；反应的第三步是在氧化铼催化剂及一定温度、压力的作用下，将乙烯、2―丁烯歧化生成丙烯，并将丙烯分离出来。

IEP 碳四歧化工艺需要一个反应区和再生区，反应区的催化剂部分失活或者全部失活后，将催化剂表面的有机物去除，然后在送入再生区再生。由于催化剂的失活、再生可以不断循环，因此IEP 碳四歧化工艺的歧化反应也可以连续进行，IEP 碳四歧化工艺对丙烯的选择性大于98%，2―丁烯转换为丙烯的转换率为90%。

3.2 催化剂

IEP 碳四歧化工艺采用的催化剂是低温铼系催化剂，该催化剂的反应温度为30℃，平衡转化率为63%，铼系催化剂是由多孔氧化铝载体、铼氧化物、铌和/或钽氧化物等三部分组成。氧化铝载体中氧化铝的质量分数要大于75%，铼氧化物的质量分数为0.01%-20%，铌和/或钽氧化物的质量分数为0.01%-30%。

4 BASF公司C4歧化工艺

4.1 歧化工艺

BASF 碳四歧化工艺和其他工艺的主要区别是在制丙烯过程中，几乎不需要外加乙烯，BASF 碳四歧化工艺制备丙烯可以分为两个步骤，第一步是在温度为20°-29°，压力为大于C4组分蒸汽压的条件下，1―丁烯和2―丁烯在Re2O7/Al2O3的催化作用下，生成丙烯和2―戊烯，反应的主要副产物为乙烯和3―己烯，反应结束后，反应物通过出口的蒸馏塔进行分离；反应的第二步是在催化剂的作用下，将第一步分离出来的C5/C6和乙烯反应生成丙烯和1―丁烯。

4.2 催化剂

BASF 碳四歧化工艺使用的催化剂中至少含有一种Ⅷ族、ⅦB族、ⅥB族的金属化合物，金属化合物可以是金属氧化物，也可以是含有机集团的部分氧化物，也可以是铼的氧化物。载体可以选择Fe2O3、SiO2、Al2O3，一般情况下常选择Al2O3，催化剂金属氧化物的质量分数要控制在1%-20%，刚制备的催化剂不需要活化能直接使用，当催化剂失活后，需要通过烧炭再生。BASF 碳四歧化工艺的异构化催化剂可以选择过渡金属，最好是选择Ⅷ族、ⅦB族的贵金属，载体可以选择TiO2、SiO2、Al2O3。

5 几种工艺的比较

OCT 碳四歧化工艺比较成熟，可以单独使用，也联合蒸汽裂解装置使用，目前，OCT 碳四歧化工艺已经工业化；IEP 碳四歧化工艺的特点是能在低温的环境下制备丙烯，但这种工艺还没有完全应用在工业生产中；BASF 碳四歧化工艺最大的特点是几乎不需要外加乙烯，这对生产丙烯有十分重要的意义。

6 结语

随着经济的快速发展，社会各行业对丙烯的需求量越来越多，伴随着我国乙烯工业的快速发展，副产物碳四烯烃的产量越来越多，利用碳四歧化技术生产丙烯，不仅能有效的利用碳四烯烃资源，还能增加丙烯的产量，提高企业的经济效益，增加企业的市场竞争力，促进企业的快速发展。

参考文献：

[1]王定博，王斌，张飞.碳四烯烃制丙烯和乙烯催化剂的研究[J].石油炼制与化工，2011（03）.

[2]王定博，刘小波，郭敬杭等.碳四烯烃催化裂解制丙烯和乙烯[J].石油化工，2010（05）.

第5篇：催化反应的基本原理范文

【关键词】汽车；空气污染；控制对策

【中图分类号】U461.99【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0303-01

目前，我国大城市机动车污染已经达到比较严重的程度，汽车造成的污染有交通扬尘、尾气排放，尾气中细小的颗粒物能引起呼吸系统疾病，损坏肺部；当颗粒有毒时，可能导致癌症，刺激皮肤和眼睛，造成皮炎、眼结膜炎。可见，汽车排放的有害废气，严重地危害着人类的健康。及时研究造成机动车排放污染的原因，并进行有效的控制已经迫在眉睫。

一、汽车排气污染

1.汽车排放污染物的来源。汽油车排放物中，氮气约占71%、二氧化碳14%、水和水蒸气13%，一氧化碳、氮氧化合物，碳氢化合物、二氧化硫占1%～2%。其污染的来源有三个：一是从排气管直接排出的废气，主要的有害物质是CO、HC、NOX；二是曲轴箱窜气，即从活塞和气缸壁之间的间隙中漏出，再经过曲轴箱通气孔排出的可燃混合气体，其主要有害物质是HC；三是燃油箱盖、燃油箱通气孔、油管等连接部位蒸发出的汽油蒸汽，其主要成分是HC。另外，汽车排放出大量的CO，产生温室效应。

2.汽车排放污染物的主要成分及其危害。汽油车排气中的污染物主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）等。一氧化碳（CO）是汽油机不完全燃烧时产生的一种无色、无味的气体，吸入人体后，和血液中的血红蛋白结合成为一氧化碳血红蛋白，阻止氧的输送，使人体缺氧，引起头痛、头晕、呕吐等中毒症状，严重时造成死亡；碳氢化合物（Hc）是发动机排气中的未然尽的燃料分解的气体，以及供油系中燃料的蒸发和滴漏。碳氢化合物（Hc）只有在高浓度的情况下才会对人体产生影响，它是光化学烟雾的重要组成成分。光化学烟雾是排气中的HC和NOX排入大气后在紫外线照射下进行光化学反应产生的黄色烟雾。光化学烟雾具有明显的刺激性，能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼病，另外还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害；氮氧化合物（NOX）是在高温条件下产生的有臭味的废气，对肺组织产生剧烈的刺激作用。

汽车排出CO，是没有毒的，但是它是产生“温室效应”的主要物质。“温室效应”使地球表面的温度上升，对全球气候变化会产生巨大的影响，因此CO，已经被列为重点排放控制的对象。

二、汽车上采用的新技术

1.缸内汽油直接喷射技术。缸内汽油直接喷射实现分层燃烧，不但可大幅降低CO、HC及NOx排放，而且还能提高燃油经济性。因此，三菱公司将其汽油直接喷射发动机定为全球环保发动机。

2.可变气门正时技术。可变气门正时系统，气门的开闭时间随发动机转速与负荷而连续变化，可达到省油、怠速稳定、提高转矩、增大动力输出及减少排气污染的目的。

3.电脑控制的点火技术。电脑控制的点火系统提高了发动机的动力性和燃油经济性，并使排气中的CO、HC含量大为降低。

三、汽车排放控制技术

为了彻底解决排放向低排放、超低排放发展的问题，目前现代汽车主要采取了以下控制技术：

1.燃油蒸发排放控制系统（EVAP）。在汽车排出的HC中来自汽油蒸发的约占20%以上。在外界温度升高时，燃油箱的汽油会加速蒸发，从燃油箱盖和油箱通气孔排入大气。为此，有些发动机采用吸附法将汽油蒸汽吸附。待到发动机工作时，再将吸附的汽油蒸汽在负压条件下解附，送入发动机燃烧室燃烧，这样防止了汽油直接排放到大气污染环境。基本的工作过程是：从燃油箱来的汽油蒸气先通过活性炭滤毒器（又称活性炭罐）吸附收集起来，当发动机工作时，再从活性炭器中进入进气歧管到燃烧室燃烧。

常用的有两种形式：一种是不带双金属真空转换阀的EVAP系统，当发动机停车、怠速或低速时，从燃油箱来的HC在活性炭滤毒器被吸附，当发动机在中速和高速时，又从活性炭滤毒器带到进气歧管。另一种是带双金属真空转换阀的EVAP系统，它的工作与冷却液温度有关，水温低于35℃，HC在活性炭滤毒器被吸附；水温高于65℃，又从活性炭滤毒器带到进气歧管。

2.废气再循环系统（EGR）。发动机燃烧反应生成的NOX的量，完全是由于参加燃烧的空气中的N0和氧反应的结果。废气中NOX的含量与燃烧反应的温度、时间和过量空气系数有关，而且主要是由反应温度决定。降低燃烧反应的温度，废气中的NOX含量呈指数关系下降。

实验证明：当温度下降到1700℃以下时，发动机排出的NOX含量几乎为零；而在高速运行条件下，由于反应时间短，NOX含量也少。

废气再循环系统（EGR）的基本原理是：将5%～20%的废气再引入进气歧管，与新鲜混合气一起进入燃烧室，使最高燃烧温度下降，从而减少NOX的生成量。因此EGR阀相当于在进、排气管之间安装了一个阀门，根据发动机不同工况，关闭或者引进不同量的废气。显然，废气的引进会影响发动机的动力性、经济性、起动、怠速稳定性。

废气再循环和废气不再循环完全受发动机ECU的控制，只要出现下列信号，ECU就会发出切断EGR的命令，废气不再循环：发动机冷却液温度低于55℃；减速过程（节气门全关）；怠速或小负荷工况（进气量很小）；发动机转速超过4000rpm（高速大负荷）；发动机空挡运转。

3.三元催化系统（TWC）。发动机排出废气含有的CO、HC、NOX有害物质，可以利用三元催化器的作用将上述三种物质进行化学反应，生成无害的物质排放出去，极大地减少了环境污染。三元催化器是一块整体的孔氧化铝骨架，上面浸渍有铂、钯、铑等贵重金属作为催化剂，表面包覆不锈钢作为保护套。

废气通过催化剂时，再催化剂表面进行一系列的氧化和还原反应。

CO+NOX+HCCO2+N2+H2O最终排到大气都是无毒害的气体。

在催化反应的过程中，必须严格保证在α=1的很窄的过量空气系数范围内。如果α>1，则CO氧化反应的氧气由废气供给，从而不能还原NOX。因此只能在ECU控制的燃油喷射系统和在氧传感器提供废气中氧含量的信息，才能保证α=1的范围。特别注意的是，由于上述反应是放热反应，所以在过量HC和CO存在时，会使三元催化剂过热而损坏。因此装有三元催化器的汽车，怠速的运动时间不得超过20分钟，同时铅也会使催化剂中毒而失效，故不能使用含铅的汽油。

四、制理汽车尾气排放的措施

1.制定严格的排放标准。对日益严重的大气污染，为确保人们有一个良好的生活环境和满足人们对生活环境的要求，各地政府应制定更为严格的排放标准。

2.开展无车日活动。据测算，如开展“无车日”活动一天，仅民用汽车可节约燃油3300万升，可减少有害气体排放约3000吨，数百人的生命和身体会幸免于交通事故伤害。

3.加大环保监测力度。加大检测力度，提高检测人员的综合素质和职业道德，实现检测与维修分家，进行道路抽检，教育驾驶员及时做好汽车维护工作，另外加速不符合排放要求的汽车淘汰工作。

第6篇：催化反应的基本原理范文

为满足学术型和应用型研究生以及交叉学科研究生培养的需要，对我校研究生全校公选课“表面物理化学”进行了教学改革和实践。建立了满足研究生分类培养的课程内容体系，基于不同类型研究生的学习需求和本科基础来组织实施教学和考核，教学中注重教学与科研相结合、理论与实践相统一，使课程适应两类研究生和交叉学科研究生人才培养的需要。

关键词：

全校公选课；硕士研究生；表面物理化学；分类教学

2007年，哈尔滨工业大学(哈工大)开始在一级学科进行硕士研究生分类培养的改革试点工作[1,2]。2009年，哈工大化工学科开始实施硕士研究生培养模式改革，确定了学术型和应用型研究生培养方案，其中“表面物理化学”既是学术型研究生的学位课程，也是应用型研究生的学位课程。同时由于表面、界面科学在化学、化工学科和其他交叉学科研究中作为共性的基础理论支撑作用，“表面物理化学”在研究生院统一协调下确定为全校公选课，除化学、化工学科外，还服务于其他交叉学科研究生的培养。那么，“表面物理化学”成为全校公选课后，针对各种类型学生的学习需求和研究生分类培养的需要，如何确定课程内容体系？如何组织和实施教学？以及如何在教学过程中实现教学与科研、理论与实践的有机结合？这些问题则成为“表面物理化学”课程建设和改革的关键。针对以上问题，我们基于“表面物理化学”课程特点，从学术型和应用型人才培养以及交叉学科研究生培养的具体要求出发，进行了全校公选课“表面物理化学”分类教学改革和实践。

1“表面物理化学”分类教学内容体系的确立

表面科学因其学科交叉特色突出，越来越受到人们的重视。国内外各理工科类高校一般都为研究生(材料、化学、化工学科居多)开设了表面科学类课程。从课程内容看，主要是讲授表面科学基本原理及应用和表面科学分析方法，并有针对性地对表面科学不同应用领域(如催化、纳米材料等)进行深入介绍。各个学校讲授的内容侧重各不相同，课程名称也不一致。我校化工学科从20世纪80年代起就为化学、化工学科研究生开设了“表面物理化学”课程，在长期的课程建设和发展过程中形成了适于(学术型)研究生培养的课程体系。

1.1分类教学的必要性

研究生分类培养是教育发展过程的必然选择[3,4]，它涉及研究生培养的各个方面和环节，其中也包括课程内容体系的确定及教学的组织和实施。虽然2009年制定的培养方案中“表面物理化学”作为全校公选课，供化学、化工学科以及其他交叉学科的研究生选修。但是，在开始的教学实施过程中仍然为各类学生集中上课。在教学过程中，注重表面物理化学原理的讲授以强化基础，还注重将基本原理与能源、材料、生物、环境等国际热门领域和学术前沿相结合，启发学生的科研思路和创新意识。在教学过程中，采用了多种教学方法(设立讨论课、自学报告和课程作业等)，针对不同类型的研究生提出不同的学习要求：如学术型研究生在讨论课中要求讲述表面物理化学在当今学术前沿领域的研究成果和进展，应用型研究生要求讲述表面物理化学基本原理在工程实际中的具体运用，而交叉学科的研究生则要求讲述表面物理化学基本原理与本学科的交叉实例。在自学报告和课程作业方面也根据学生类型的不同而提出了不同的要求。这样，一定程度上满足了学生分类培养的要求。然而，从前期的教学实践效果看，该课程教学中存在如下问题：(1)这种统一集中上课的教学模式，存在着教学追求全面性与不同类型研究生学习需求不同的矛盾，使得分类培养的针对性不强。(2)从学生反馈来看，学术型研究生认为表面物理化学基本原理的学习过于简单，而交叉学科的研究生由于化学基础薄弱而认为理论介绍难度过大，内容偏多。这一问题还导致学生成绩分布不合理，交叉学科学生选课的积极性不高。因此，“表面物理化学”课程切实的分类教学改革势在必行。

1.2适应分类教学的“表面物理化学”课程内容体系的确立

“表面物理化学”分类教学要依据研究生培养目标所需要的知识结构，统筹考虑本科已有的基础和不同授课对象的需求。在研究生分类培养的新形势下，“表面物理化学”课程作为全校公选课，在教学内容上既要满足化学、化工学科学术型和应用型这两类人才培养模式的需要，又要满足非化工学科研究生选修本课程的新需求。在教学过程中，既要满足学术型研究生对表面/界面科学知识的深度和系统性的需求，又要满足应用型研究生将表/界面科学知识有效运用于工程实际的需求，还要使得其他交叉学科研究生能够建立界面观点、掌握表/界面基本原理并能运用于自身的科研工作中。此外，本课程还要为不同研究方向的研究生奠定理论基础。化工学科目前有9大具体研究方向(表面与界面化学，高分子复合与改性，化学电源，金属电沉积与化学沉积，功能材料制备与性能，催化剂与催化反应工程，生物合成与分离工程，生物分子工程，新能源化工)，涉及到能源、材料、生物、环境四大国际热门领域和学术前沿。这些领域都需要从分子水平上研究材料、能源、生命中的相界面物理化学变化规律，这里涉及界面的共性知识和理论是本课程重要的内容体系。因此，本课程以表面/界面的物理化学原理和规律为基础，以界面科学及应用新进展为前沿，以拓展科研思路与方法、培养创新精神和能力为目标，把各具体学科研究方向要求的知识结构细化为知识点，用知识点间的逻辑关系，协调界面物理化学原理、规律、应用及前沿进展的内容，进行分类教学内容体系的构建。本课程从化工学科9大研究方向中，凝练出3个共性的表面科学知识和理论方向，即表面热力学基础、固体表面与界面以及表面活性剂。在此基础上，针对化学、化工学科的学术型研究生的需要，重点介绍固/液界面的电化学热力学与电结晶过程中成核与长大的影响因素及润湿规律等；针对化学、化工学科的应用型研究生及食品、航天、材料等交叉学科的研究生，重点讲授固体表面态和键合、表面层结构性质及表面改性技术，以及润湿现象的应用等内容。基于上述思路，修改了化工学院的研究生培养方案，取消了原来的“固体表面与键合”课程，将其有关内容纳入“表面物理化学II”，作为应用型研究生的学位课程及非化学、化工学科研究生的全校公选课；原“表面物理化学”改为“表面物理化学I”，作为学术型研究生的学位课。

2“表面物理化学”课程分类教学的组织和实施

在课堂教学组织与实施中，首要考虑的是学术型和应用型这两类研究生培养目标的不同及交叉学科研究生的学习需求。“表面物理化学I”是针对化学、化工学科的学术型研究生开设，重点在于基本理论的深度理解和掌握。在教学过程中偏重于演绎法，从解释表面现象开始，深入到基本原理的推导过程和基本规律的理论分析，注重知识体系的系统性和完整性；将表面科学的学术前沿与表面科学基本理论结合起来，提高学生对学术前沿中表面科学问题的认识深度；同时，在教学过程中注重培养学生的科研意识、科研兴趣和科学思维习惯。“表面物理化学II”是针对化学、化工学科的应用型研究生和交叉学科的研究生开设的。其教学过程中偏重于采用归纳法，从各类表面现象及工程实际应用入手，在物理化学知识的基础上介绍表面科学的基本知识和理论，注重基本理论与工程应用实践的结合，加强培养学生在工程应用过程中发现表面科学问题和运用表面科学原理的能力，突出表面科学原理在工程实际中的应用创新和实践创新。其次，在教学过程中还要考虑研究生原本科阶段的表面化学以及物理化学课程的知识基础。我校化工学科为本科生开设了表面化学类课程“应用表面化学与技术”，化学学科开设了“表面化学”，还有服务于全校本科生的创新研修课“应用表面化学基础”。但是化学、化工学科每年招收的硕士研究生有相当一定比例的学生在本科阶段没有学过表面化学类课程，而交叉学科的研究生学习过此类课程的人数更少。为解决这一类研究生表面化学基础薄弱的问题，我们建议有条件的学生选修相关的表面化学类本科生课程。另外，由于本课程对本科生的物理化学知识要求较高，因此针对没有物理化学基础的学生(主要是来自交叉学科的研究生)，要求课外自学由授课教师指定的相关内容，或利用绪论课适当补讲相关内容。再次，通过累加式考核的导向作用，细化各项考核的要求，加强不同类型研究生的分类培养。“表面物理化学I”针对学术型研究生对系统的基础理论和学术前沿知识要求高的特点，确定考核内容如下：闭卷考试，占60分，考核基本理论和原理等；讨论课每名学生以PPT方式讲述与本人课程相关的表面科学前沿问题，占20分；以理论推导和讨论为主的开卷考试，占10分；以教材为蓝本自学其中的第二章固体表面的自学报告，占10分。“表面物理化学II”针对应用型研究生和交叉学科研究生注重理论与工程实际相结合的特点，采用如下考核方式：闭卷考试，占50分，考核基本理论和原理等；讨论课每名学生以PPT方式讲述表面科学问题或表面分析方法在工程实际的应用，占20分；作业占20分，包括运用表面基本原理对某一表面现象和问题进行解释和综述某一固体材料表面或界面的几何结构和电子结构两个方面；随堂开卷测验2次，共10分。

3通过教学与科研相结合、理论与实践相统一，服务于两类研究生人才培养

研究生的课程教学不仅是传授基础理论和专业知识，也是拓展科研思路与方法、培养创新精神和能力的有效途径。表面物理化学内容的学科交叉特色突出，使得该课程具有教学与科研、理论与实践相结合的优势。本课程在满足教学基本要求的前提下，利用界面化学涉及面广的特点，引导学术型研究生从界面的物理化学原理和规律走向学术前沿、应用型研究生将表面化学基本理论应用到工程实际，使“表面物理化学”课程教学有效地服务于研究生的分类培养。

3.1教学过程中注重教学与科研相结合

本课程在长期的建设和发展过程中形成了课程组，建立了适合于研究生培养，特别是学术型研究生培养的课程体系，在教学与科研相结合方面也进行了大量卓有成效的工作。本课程组的授课教师利用自身的科研优势，将自己与表面科学相关的研究成果运用于教学之中，启发学生的科研思路、培养科研兴趣；课程组成员的部分研究成果直接转化为与课程内容对应的实验项目，纳入学院的研究生实验平台[5]之中，建立学院层面的“表面物理化学”课程实践环节；此外，课程组教师在研究生培养环节上，服务于科研方向与表面科学密切相关的研究生导师，对研究生学位论文中与表面科学相关的内容进行把关和理论指导，反馈于科研工作。

3.2加强理论与实践相统一，强化应用型研究生工程实践能力培养

针对我国研究生人才培养和实际需求脱节的问题，2009年起教育部即宣布研究生培养将从过去的学术型为主转变为应用型为主，现在应用型研究生招生比例逐年增加[6]。为提高我校化学、化工学科应用型研究生的工程实践能力，化工学科在研究生院的支持下建立了校内外实践基地[7]，并与“表面物理化学II”有机结合起来，工程实践活动成为课程的生动实例。如在课程组成员参与建立的“化工学科应用型研究生校内实践基地”，研究生可以在生产线上进行锂离子电池制造各个环节的实践活动，包括材料合成、电极制备、电池组装及电池性能检测，全面系统地掌握锂离子电池的制造技术，培养化工学科研究生的工程实践能力，提高其对产品设计、产品制造的系统观、全局观，特别是使学生体会到了本课程的基本原理和规律在电池制备中的理论指导作用，真正做到了理论与实践的统一。再如在化工学科的“上海山富数码喷绘复合材料有限公司校外实践基地”，研究生可以进行从胶水、涂料、涂布、贴合、分切，到产品包装的一条龙生产实践，使应用型研究生能真实了解企业生产和研发的基本过程，又深刻体会到界面问题的重要性。

4“表面物理化学”课程分类教学实践效果

全校公选课“表面物理化学”课程的分类教学在我校研究生院支持下正式实施以来，本课程的学生成绩分布更趋合理，学生选课情况和学习兴趣都呈现了良性的发展态势。从学习效果看，此前本课程闭卷考核中成绩优秀的学生都集中在化学、化工学科，并以学术型研究生居多；现在由于分类教学中基于不同类型学生的学习需求，调整了教学内容和考核要求，使得学术型和应用型研究生各出现一定比例的优秀生，特别是来自交叉学科的研究生成绩也出现了优秀。其二，分类教学实施后，选“表面物理化学II”课的交叉学科研究生从航天、食品、材料学院又增加了机械、电子和能源等学院，表明分类教学法的实施符合交叉学科研究生对表面化学类课程的学习需求。因此，可以预期“表面物理化学”全校公选课会吸引更多的交叉学科研究生选课，选课波及面也会进一步加大。其三，由于课程学习内容与各类研究生的培养目标更为一致，从而使得研究生的学习兴趣提高，学生主动学习的意识明显增强。特别是课间学生找老师讨论问题的现象明显增多，既有对课堂上课程学习内容的讨论，也有把自己课题方向中与表面科学相关的问题与授课教师交流。学生反馈结果表明，选修此课的研究生对“表面物理化学”分类教学普遍认可。另外，我院应用型研究生在培养上增加了校内外实践基地的实践与考核环节，从学生对校内外实践基地实践活动的总结报告中可以发现，有相当一部分学生将表面科学问题与具体的工程实践结合起来，将在“表面物理化学”课程中学习的知识原理直接运用到具体实践之中。在教学过程中设置的讨论课上，有一定比例的研究生将自己将要进行的硕士研究课题中的表面物理化学问题在课堂上与老师和同学直接交流，这样授课教师可以直接进行理论指导，使教学更好地服务于研究生的学位论文工作。

5结束语

我国高校研究生阶段人才培养的全校公选课一般为英语、数学或思想政治理论课等。而理论性较强的“表面物理化学”课程如何发挥其全校公选课的作用、有效地服务于研究生的分类培养，是“表面物理化学”课程建设的首要问题。哈工大化工学院“表面物理化学”课程组在我校研究生院和化工学院的支持下，对“表面物理化学”分类教学改革进行了有益的探索。但是要真正实现从原来单一地服务于学术型研究生培养到服务于学术型和应用型两类研究生的分类培养，还需要进一步的理论研究和实践。

作者：姚忠平 姜兆华 黄玉东 岳会敏 安茂忠 韩晓军 尹鸽平 单位：哈尔滨工业大学化工学院

参考文献

[1]丁雪梅,甄良,宋平,杨连茂,魏宪宇.学位与研究生教育,2010,No.2,1.

[2]丁雪梅,甄良,宋平.研究生教育研究,2011,No.5,1.

[3]阮平章.学位与研究生教育,2004,No.8,21.

[4]吴爱祥.中国高等教育,2013,No.18,58.

[5]丁雪梅,甄良,宋平,杨连茂,魏宪宇.学位与研究生教育,2009,No.11,13.

第7篇：催化反应的基本原理范文

关键词：现代免疫分析技术;食品卫生检验;应用

食品卫生检验是保证食品安全的重要环节，现阶段，食品呈现多样化发展，加强对食品卫生检验技术的研究具有十分现实的意义。 现代免疫分析技术概述

标记免疫分析技术就是用抗原体间特异反应为基础，结合各项定量分析信号对某种物质进行定量或定性测定的一种技术，具有高特异性、强灵敏度等特点，被广泛的应用于基础医学以及临床中，并发挥了重要的作用。这种免疫分析技术的基本原理大致相同，根据标记物种类的不同，检验发出的信号也不同。目前这类检测方法有很多种，目前得到广泛应用于推广的主要包括以下几种。

放射免疫分析：简称RIA，这种分析技术是将特异性免疫化学技术与放射性核素示踪法相结合的技术，能够对一切活性物质进行测定。根据反应试剂以及操作步骤的不同，可以将其分为双抗体夹心法、经典RIA法、生物素法、双位点法、间接法。

荧光免疫分析技术：简称FIA。这种分析技术的原理就是将荧光素与抗原或抗体进行结合，在荧光显微镜下，标记的抗原或抗体就会发生荧光特异免疫现象。这种分析技术除了传统的标记分析功能外，还具有一定的定位功能。

酶免疫检测技术：简称EIA。这种分析技术是一种非放射性标记分析技术，将酶反应以及免疫反应的特点有机的结合起来，实现了高效与专一的叠加。根据应用目的的不同，可以将酶免疫分析技术分为非均相酶免疫检测以及均相酶免疫检测两种，其中非均相检测又可以分为液相与固相两种。

发光免疫分析：简称CLIA。这种分析技术是在免疫反应与发光反应的基础上建立起来的，结合了发光反应的灵敏度以及抗原反应的特异性。根据分析的方式不同，能够将其分为化学、化学发光酶、生物这三种免疫分析法。

免疫电镜分析：简称IEM。这种技术也成为免疫细胞化学技术，主要是用用显微镜等装置，对抗原、抗体等反应进行定位观察与分析。这种分析技术与定量分析有很大的区别，同时具有分子级别的定位功能。

胶体金免疫标记分析：简称CGIA。这种技术就是在电镜、光镜下对抗体或抗原进行定位、定量分析，广泛的应用于生物或医学领域，并且使用相对简单，适合于家庭、个人使用。 酶免疫分析技术在食品卫生检验中的应用

食品卫生问题是眼下社会广泛关注的焦点问题之一，与人们的生活息息相关。现代免疫分析技术中，重点介绍酶免疫分析技术在食品卫生检验中的应用。

2.1 酶免疫分析技术优点

酶免疫分析技术在食品卫生检验中具有以下几个方面的优势：（1）具有较高的灵敏度，能够检测出待测液中的微量抗原与抗体，并与之结合发生快速的催化反应;（2）酶免疫分析技术具有抗干扰能力强的优点，能够避免荧光物质、有色物质、结构类物质等对检测物品的干扰。特别是对于食品来说，需要保证检验后的食品的有效性，因此该优点使其用于食品卫生检测的重要原因。（3）这种分析方法应用于食品卫生检验中操作步骤较少，降低了食品检验的难度，提高了检验的效率;（4）这种检测分析技术进行食品检验中不需要使用挥发性的有机溶剂，操作十分安全，有效的降低了对环境的污染。（5）酶免疫分析技术对检验场地与设备仪器的要求不高。

2.2 食品卫生检验中酶免疫分析技术的具体应用

酶免疫检测分析技术在食品卫生检验中，具体应用在以下几个方面：

对食品送农药残留的检验：由于在食品形成的环节中，农药大量的使用，造成农药残留问题在食品卫生中日渐突出，主要的农药种类包括杀虫剂以及除草剂两种。随着科技的发展，酶免疫技术得到了长足的发展，越来越多的农药建立了酶联免疫吸附检测方法。其中在除草剂农药方面，有有机磷的杀螟松，甲氟磷酸异己酶;属有机氯的2，4一D，草不绿、DDT等，杀虫剂方面如除虫菊酯、多菌是、克菌丹、西玛津均有酶联免疫方法的报道.有的已有商品化的测试盒供应。

对食品中生物碱、毒素等的检验：针对可卡因、海洛因、吗啡等，建立了酶联免疫吸附检验方法，国内一些地区甚至存在用于检测吗啡的胶体金试纸。一些饭店为了招揽更多的顾客，甚至在食品中加入罂粟壳，其中以火锅、汤料等为主，公安部以及相关部门建立了针对性的酶联免疫吸附检测方法，也研制出了具体的检验试纸，检验试纸的商品化也即将面世。

对食品中激素、抗生素等残留的检验：一些肉质品、奶制品中由于饲养过程中饲料中添加剂或直接有添加剂加入成品，导致食品中存在激素以及抗生素残留，对食品卫生造成很大的危害。对此，我国相继建立了针对性的酶联免疫吸附检验方法。

另外，酶联免疫吸附检测法还用于对食品中一些毒素的检验，包括动物毒素（海豚毒素等）、藻类毒素、贝类毒素等。 总结

食品安全问题一直是社会关注的焦点问题，三聚氰胺、苏丹红、瘦肉精等食品安全事件使得人们对食品卫生的关注程度进一步升级。免疫分析技术在食品卫生检验中的应用，能够快速有效的对食品进行安全检验，得出定量的检测结果，确保食品的安全，为人们创造一个安全放心的食品卫生环境。

参考文献：

[1]陈茂林，蔡健荣，赵晓莲，司鸿飞.标记免疫分析技术在食品分析中的应用[J].中国卫生检验杂志.2012，25（7）：124-125.

第8篇：催化反应的基本原理范文

关键词：木质素；生物质；综合利用；分离

中图分类号：S562；O69 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）10-2607-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.10.039

Abstract： Lignin is a nature polymer which formed via the free radical polymerization of phenylallyl alcohol. It is important to find a new green method of separating lignin. In this paper， 1，4-butanediol was firstly used as the solvent to extract the lignin from cotton stalk. The effects of variables were investigated. The optimal conditions were obtained as following： reaction temperature 210 ℃，time 3.0 h，1，4-butanediol concentration 80%，ratio of solution to cotton stalk 1∶12（g∶mL）， the 36% sulfuric acid was used as the catalyst with dosage of 1.7%， and the yield of lignin reached the highest value of 97.4%. The repeat times of 1，4-butanediol was investigated for the separating lignin， it is found this solvent can be used at least 4 times before the decrement of lignin's yield， which provided a new method for the comprehensively utilization of cotton stalk.

Key words： lignin； biomass； comprehensively utilization； separation

木质素是由苯丙烷单元通过醚键（-O-）和碳-碳键（C-C）连接而成的天然芳香族高分子化合物[1]。木质素是产量仅次于纤维素的第二大生物质，当前生物圈内木质素的存量为300亿t，每年再生产量为200亿t[2]。木质素是惟一可再生的大宗芳香族化合物。虽然当前石油和煤炭的价格跳水，但是它们的储量锐减与需求激增的趋势未变，而大量使用石油煤炭所引发的生态破坏、环境污染、气候异常等问题也日益严重。而木质素具有碳中性、环境友好、可大量再生等优势，因而，木质素是最有希望在将来替代石油煤炭的芳香化合物[3]。

木质素主要存在于木本、禾本科植物的茎杆中，以农业废弃物秸秆为例，中国每年产量达到7亿t，富含木质素约2亿t。中国是世界最大产棉国，每年副产棉秆约3 000万t，新疆是最大产棉区，每年产棉秆约1 000万t[4]。因棉秆的质地坚硬、营养成分少，目前大部分都没有得到合理利用，造成了环境污染和资源浪费等问题。棉杆的主要成分是纤维素（45%）、木质素（25%）、半纤维素（20%）[5]，因此高效绿色分离三素，是实现棉秆资源综合利用的基础。木质素是连接纤维素、半纤维素的“胶黏剂”，且其性质较为稳定，又成为分离三素过程的瓶颈。20世纪70年代以来，中国在棉秆制浆方面有较多的研究成果，采用的方法包括硫酸盐-蒽醌（A-Q）法[6]，中性亚硫酸盐法[7]、亚铵法[8]等。因这些方法伴有大量高污染、难处理的“黑液”，未被广泛和持续应用。近年来，又有化学机械制浆[9]、生物制浆[10]等新的方法被报道，但未见上述方法对棉秆中木质素的性质变化进行研究。近年来，有机溶剂提取木质素的方法以其溶剂可回收、污染小等优点受到了广泛的重视[11-14]。其中1，4-丁二醇法具有成本低、溶剂可回收循环利用，基本上无废液排放等特点[15，16]，并且此方法得到的木质素产品相对于碱法制浆的产品而言，具有灰分含量低、相对分子质量较为均一、化学活性高、可直接应用于精细化学品的合成[17-19]等优点。

因此，本研究对1，4-丁二醇分离棉秆木质素进行初步研究，以木质素的产率为技术指标，探索反应条件与木质素分离程度间的规律和特点。通过优化条件，得到了接近理论产率的木质素产品。研究结果实现了棉秆木质素的高效绿色分离，为棉秆的资源化利用提供了基础数据，有助于解决棉秆的污染和浪费问题。

1 材料与方法

1.1 材料

棉秆取自新疆昌吉市榆树沟镇，对应棉花品种为早26提高系998，使用前粉碎至50目。1，4-丁二醇、无水乙醇、苯、浓硝酸、浓硫酸等药品均为分析纯（天津化玻公司）。

紫外-可见分光光度计（Shimadzu，UV2550）；傅里叶变换红外光谱仪（Shimadzu，IRAffinity-1）；核磁共振波谱仪（Bruker，AVII400）。

1.2 方法

1.2.1 棉秆各组分的含量测定方法 棉秆中木质素、纤维素、灰分等组分的测定方法分别参照酸性纤维洗涤法（ADF法）、硝酸乙醇法、GB50094-85等进行。

1.2.2 棉秆中木质素的提取方法 用电子天平准确称取干燥后的棉秆粉末，置于50 mL水热釜内，加入一定浓度的1，4-丁二醇后加热升温至180～210 ℃，并保持恒温1.0～4.0 h。到达预定时间后，冷却降温到60 ℃。取出反应后的混合物进行减压抽滤，并用60 ℃的1，4-丁二醇洗涤3次，将残渣与木质素溶液分离，收集洗涤残渣产生的废水作为沉降木质素用水，将木质素的原液在室温下加入3倍体积的水搅拌，木质素沉淀析出，经减压抽滤后室温干燥18 h，得到深棕色的木质素产品。

1.2.3 木质素的纯化方法 采用二氯乙烷-乙醇法（简称D-E法）。将提取的木质素溶于二氯乙烷∶乙醇（体积比）为2∶1的溶液中，搅拌，静置后离心。取上清液加入一定量无水乙醚中，有沉淀析出。离心后取出固体并烘干，即可得到纯化的木质素固体。

2 结果与分析

2.1 棉秆中各成分含量的测定

根据“1.2.2”的方法对棉秆各组分的含量进行测定，结果如表1所示。由表1可知，样品中木质素、纤维素和半纤维素总含量85.55%，灰分及苯醇抽提物含量只占8.81%，说明棉秆是一种理想的生物质资源。木质素的含量达到22.68%，为木质素的分离提供了基础[20]。

2.2 各因素对木质素产率的影响

影响木质素产率的因素主要有反应温度、反应时间、1，4-丁二醇体积分数、固液比、催化剂用量等因素。因为影响因素较多，为快速准确地得到试验结果，首先采取了正交试验的方法对自催化提取进行试验优化。在此基础上，研究了硫酸作为催化剂对木质素产率的影响。

2.2.1 溶剂自催化法提取棉秆木质素的研究 有机溶剂自催化法提取棉秆的木质素，基本原理是有机溶剂在一定的温度和压力条件下，主要对木质素中的α-芳基醚和β-芳基醚键进行催化裂解[20]，形成木质素小分子，并将其溶解从而与纤维素分离。半纤维素的乙酰基在水解过程中形成乙酸，加快木质素醚键的断裂，即自催化效应。对反应后的滤液加入一定体积的水，木质素胶体溶液稳定性被破坏，木质素形成沉淀析出。

影响有机溶剂自催化法的主要因素有反应温度、反应时间、溶剂浓度、固液比（g∶mL，下同）等。正交试验因素与水平见表2。正交试验结果见表3。由表3可知，第5组效果最好，其木质素产率为42.60%。具体的条件是200 ℃下提取3 h，固液比为1∶8，1，4-丁二醇体积分数为70%。通过极差分析的方法可知，对木质素产率的影响大小依次为：固液比>提取温度>提取时间>1，4-丁二醇体积分数。由正交试验的效应曲线分析可知，增加反应温度和固液比有利于木质素产率的提高。因此在后续的优化试验中，将反应温度提高到水解釜内衬能够承受的最高温度210 ℃，将固液比提高到1∶12，1，4-丁二醇体积分数提高到80%。在此条件下提取木质素3 h，木质素的产率提高到70.4%。

2.2.2 催化剂用量对木质素产率的影响 以上自催化反应的结果表明，木质素的最大产率为70.4%，为了进一步提高木质素的产率，本研究选取36%的硫酸作为催化剂，考察其对木质素产率的影响。

在温度210 ℃，固液比1∶12，1，4-丁二醇体积分数80%，提取3 h的前提下，固定溶剂的使用量为32.0 mL，添加36%的硫酸作为催化剂，考察其加入量分别为0.05、0.10、0.30、0.60、0.70 mL对木质素产率的影响（图1）。由图1可知，以36%硫酸作为催化剂时，随着其用量地增加，木质素的产率呈现急剧增加的趋势，且当其用量达到0.70 mL（占溶剂体积的2.2%）时，木质素的产率达到97.4%，接近于理论产率。当催化剂用量超过0.70 mL后，棉秆的炭化现象比较明显。造成上述现象的原因是因为棉秆木质素大分子醚键的断裂需要H+的催化，加入硫酸可以提供更多的H+，进而提高木质素的产率。但是H+过量，会引起木质素小分子及其衍生物的缩聚、炭化等副反应，造成木质素的产率下降。

2.3 溶剂的重复使用研究

鉴于本方法使用的80% 1，4-丁二醇黏度大，沸点高，不易进行纯化再利用，本研究对该溶剂的重复使用进行了初步的研究，即将最优条件下得到的80% 1，4-丁二醇溶剂直接用于下一次木质素的分离，而不是加水沉淀木质素（引起1，4-丁二醇的体积分数下降）。试验结果如表4所示。由表4可知，80% 1，4-丁二醇在前3次的重复提取棉秆木质素过程中，木质素的产率没有明显的下降，但是当重复利用第4次以后，木质素的产率开始锐减，表明该溶剂对木质素的溶解达到饱和。因此，80%的1，4-丁二醇溶液可以重复利用4次而保持稳定的木质素分离程度。

2.4 木质素产品的表征

将加入催化剂条件下得到最大产率的木质素分别进行紫外、红外测试，所得结果如图2、图3所示。由图2可知，木质素的最大紫外吸收峰出现在205 nm附近，为共轭烯键的吸收带，在260 nm附近出现了一个弱的吸收峰，为芳香环的吸收峰。以上结果符合文献报道的木质素的特征吸收峰[21]。木质素的红外吸收光谱见图3，对应的吸收峰归属分析见表5。由表5可知，木质素是芳香环及其衍生物构成的大分子，含有甲基、酚羟基、醇羟基和羰基等化学活性基团。图3中波数1 721 cm-1处为羰基中的C=O伸缩振动峰，1 627、1 533 cm-1处为芳香环的骨架振动峰，1 215 cm-1处为芳香环上C-O伸缩振动峰，1 009 cm-1处为芳香环上C-H面内弯曲振动峰。以上各峰均为木质素的特征峰[21]。结合图2的紫外吸收光谱，可以证明1，4-丁二醇法从棉秆中提取的产品为木质素。由图4可知，1，4-丁二醇木质素在化学位移7.13～6.69处有明显的吸收峰，表明其含有苯环，其中1，4-丁二醇木质素在6.941～6.750处的峰值大，表明该化合物中紫丁香基结构单元较多。在5.332～5.304处有侧链上氢的峰，4.017～3.975处有α、β、γ上氢的峰。3.336～3.397处有一苯环上的氧甲基多峰是侧链上的Hα、Hβ、Hγ，苯环羟基峰则在4.377处。3.751～3.727处有芳香族的氧甲基峰，1.426～1.411为脂肪族氢峰，其峰值较大，故含量较多，溶剂的五重峰为2.504～2.490[22]。

3 结论

以棉秆为原料，采用1，4-丁二醇作为溶剂，采用正交试验的方法，考察了反应温度、反应时间、1，4-丁二醇体积分数、固液比、催化剂用量等因素对木质素产率的影响。试验结果表明，自催化条件下，各因素对木质素产率的影响大小依次为：固液比>提取温度>提取时间>1，4-丁二醇体积分数。最优条件为反应温度210 ℃、反应时间3 h、1，4-丁二醇体积分数80%、固液比1∶12，此时木质素的产率达到最大值70.4%。36%的硫酸作为催化剂可明显提高木质素的产率，当其用量为溶液体积的2.2%时，木质素的产率达到最大值97.4%。80%的1，4-丁二醇不经稀释进行木质素的重复提取试验，结果表明共重复利用4次后，溶剂对棉秆木质素的溶解能力达到极限。采用紫外光谱、红外光谱和氢核磁等方法对最优条件下得到最大产率的木质素进行表征，表明各谱图上的特征峰与木质素的特征峰相吻合。

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第9篇：催化反应的基本原理范文

关键词：光化学； 比色； 传感器； 阵列； 评述

1引言

化学传感器是一种能够通过某物理或化学反应以选择性方式对特定分析目标物产生响应，从而进行定性或定量测定的装置[1]。化学传感器通常由识别元件和换能器两部分构成。识别元件与待分析物相互作用，其物理、化学性质发生变化；换能器将这些参数转化和放大，生成与待分析物特性有关的可定性或定量处理的电信号或者光信号（颜色、发光等）[2]。目前，化学传感器已成为化学分析和检测的重要手段。传统的化学传感器根据“锁钥模式”进行设计，选择性好，对某些物质的检测非常有效，然而其设计也存在一定的缺陷，如对于生物大分子和结构不明确的待分析物的传感器设计存在困难，同时，针对复杂混合物中的每种成分均设计具有专一选择性的特定传感单元显得费时且不切实际[3]。阵列式传感器的设计模仿哺乳动物嗅觉和味觉系统，利用多个传感器单元组成阵列，通过传感器阵列与分析物之间的交叉响应，可以实现对多种物质及复杂混合物进行响应和检测。传感器阵列中的传感单元对分析物不必具有高度的选择性，某些传感单元对特定分析物有一定程度的选择性，同时对其它分析物也有响应，即每个传感单元对不同的组分具有不同的响应能力；利用传感器阵列对各种分析物整体响应之间的差别，实现对待分析物的区分。在光学、电化学、色谱等诸多的检测手段中，光化学显色方法无疑是最便捷有效的度量手段。结合光化学比色方法，光化学比色传感器阵列以其价格低廉、方法简单、响应快速、信息量大等优点，得到了日益广泛的应用。本文综述了近年来光化学比色传感器阵列在气体、生物样品、离子和小分子，以及混合物检测方面的应用， 对它的原理和性能进行了讨论， 并对其研究和应用前景进行了展望。

2光化学比色传感器阵列的基本原理

光化学比色传感器阵列是利用传感器单元的光学性质（吸收或发射）改变作为输出信号，实现对待分析物的检测。通常采用光谱或成像两种方式对光化学比色传感器阵列中所有传感单元的光学信号进行同时采集。如图1所示，采用紫外可见分光光度计采集光谱时，通常要配备流通池和液体控制装置，该方式根据紫外可见光谱的迁移或吸收强度的变化，实现对待分析物的检测和区分；换用平板扫描仪成像后，比色传感单元颜色的改变经过去卷积，灰度值经平均化和积分处理后，其结果更直观和便于定量化。加入不同的待分析物后，多个传感单元的颜色变化组合成具有各自独特模式的阵列，称之为待分析物特有的“指纹图谱”，从而实现对不同物质的鉴别和区分。光谱技术由于可以获得完整的光谱，包含信息量大而具有很大优势，但需要比较复杂的仪器设备，对每个传感单元数据的采集也需要一定时间。与光谱技术相比，成像技术具有在给定视野范围内能够检测多个传感器单元的优点[2]，且成像技术比光谱技术简单，无需特殊的仪器，成像设备可以是数码照相机、平板扫描仪[4]、手机摄像头[5]等，但成像技术通常获得的是红、绿、蓝（R， G， B）3个或红、黄、绿、蓝（R， Y， G， B）4个通道的光谱信息，不如光谱技术获得的信息量大[2]。

3光化学比色传感器阵列的应用

3.1气体的检测

2000年，Rakon等提出通过模拟哺乳动物的嗅觉系统来构建比色传感器阵列，利用卟啉类化合物与挥发性有机气体（VOCs）反应前后的颜色变化对气体进行定性定量分析，为气体的检测提供了一种全新的思路[4]。目前，比色传感器阵列已被广泛应用于气体的检测，如工业有毒气体[6～10]，挥发性有机物[11～15]，胺类[16～18]，甲醛[19]，爆炸物[20]，硫化氢[21]等。

Lim等[6]构建了一个以36种指示剂为基本单元的可抛型传感器阵列，用于19种工业有毒气体的检测。分析物与传感器阵列反应前后的颜色改变形成了对应于该分析物独有的分子指纹图谱，通过比较指纹图谱来实现不同种类工业有毒气体的定性和定量检测。在危险浓度下，2 min内即可实现对19种工业有毒气体的有效区分，准确率达100%。与传统采用范德华力及物理吸附等弱作用力为基础的半导体金属氧化物电子鼻技术相比，该传感器利用的是指示剂与分析物间强的化学键相互作用，虽牺牲了传感器的长效检测能力，但却极大地提升了传感器的检测灵敏度，其对工业有毒气体的检出限大多低于允许排放浓度（通常为10_Symbolm@@_9量级）。由于指示剂用量极小，可抛型的设计在大大提升传感器检测灵敏度的同时，却并没有增加其使用成本，为气体传感器的设计提供了一条新的思路。

Feng等[19]将酸碱指示剂添加到氨基封端的聚合物中构建光化学比色传感器阵列用于甲醛的快速检测。利用胺与甲醛反应后碱性减弱的原理，引起固载在一起的酸碱指示剂颜色发生改变，用来检测甲醛。商品化的甲醛比色检测往往需要30 min， 甚至更长的时间，该传感器阵列可以在1 min内对浓度在0.250～20 gm3范围内的甲醛进行快速检测，10 min内检测到浓度为50 mgm3甲醛。对乙醛、丁醛、苯甲醛均无响应，具有很好的选择性。

环形构造的三过氧化三丙酮（TATP）是一种威力巨大的爆炸物，因其稳定性差，在工业和军事上均无实际应用，但由于其制备异常简单，近些年来被多次使用。由于TATP自身无紫外吸收和荧光，也不容易被离子化，直接检测相对比较困难。Lin等[20]构建了一种简单的比色传感器阵列，成功应用于TATP的快速检测。采用酸性固体催化剂将TATP分解，分解后产生的H2O2气体氧化传感器阵列中还原性的指示剂而使对应的指示剂变色，根据传感器阵列颜色改变形成的指纹图谱，实现对TATP的定性和半定量检测，检出限可达到2 mgm3。该传感器对TATP的选择性很好，不受湿度、挥发性有机气体等常见潜在干扰物的影响，也能将TATP与过氧化氢、过氧乙酸等氧化剂区分开来。

3.2生物样品的检测

生物系统中无机盐、蛋白质、细胞等的检测对于疾病的预防和诊断尤为重要。目前，检测生物样品的方法很多，如酶联免疫法、蛋白质组学、质谱、毛细管电泳、适配体传感器等[22～26]。光化学比色传感器阵列以其方法简单、检测快速的优点在生物样品的检测方面得到广泛应用（表1）。

3.2.1核苷酸的检测

核苷酸在许多生理反应及代谢过程中起着非常重要的作用，利用传感器阵列检测核苷酸具有简单快速的优点。2003年，McCleskey等[37]用指示剂取代法，采用3×4的传感器阵列对20 mmolL的三磷酸腺苷（ATP）， 三磷酸鸟苷（GTP）和单磷酸腺苷（AMP）进行区分。2007年，Buryak等[29]采用多元指示剂取代法对1 mmolL ATP、GTP、二磷酸腺苷（ADP），AMP，环磷酸腺苷（cAMP），焦磷酸（PPi）进行了鉴别。该实验在50 mmolL磷酸盐缓冲溶液中进行，传感器对核苷酸和PPi体现出了很好的选择性。多元指示剂取代法的原理如图2所示[29]，多个指示剂分别与受体结合形成对应传感器单元，加入不同分析物后，根据与受体亲和能力的大小，分析物对指示剂进行一定程度的取代，从而产生不同的光谱变化。传统的含单个指示剂受体的指示剂取代法，当分析物与受体的亲和性比指示剂与受体的亲和性高很多或者低很多时，将给出相同的全部取代或完全不取代指示剂的信号；而对于多元取代法，分析物对不同传感器单元的亲和能力不相同，从而产生不同程度取代的信号，这样分析的动态范围就被扩大。值得注意的是，多元取代法中，各个指示剂受体的光谱变化需发生在不同的光谱区域。多元指示剂取代法与传感器阵列在概念和原理上有密切的关系，所不同的是，传感器阵列中的各个传感单元是相互独立的，而多元指示剂取代法中各个传感器单元因为交换作用而相互关联。

3.2.2氨基酸、多肽及蛋白质的检测光化学比色传感器阵列用于氨基酸及蛋白质的检测已有大量研究报道。Severin研究组[27]通过构建指示剂取代传感器阵列，与紫外可见光谱结合成功地区分了20种天然氨基酸。该研究组还利用指示剂复合物的动态组合库分别对二肽和三肽进行了区分[28，39]。动态组合库中各组分通过可逆反应和相互作用连接，外界的刺激会影响库的组成。加入目标分子后，目标分子选择性地与库中成分反应，达到新的平衡。将动态组合库应用于多肽的检测中[39]，金属和染色剂复合物组成动态组合库，加入多肽后，与库中组分发生配体交换反应，动态组合库重新平衡，导致紫外可见光谱发生改变，从而实现对多肽的检测。FolmerAndersen等[40]通过指示剂取代法实现了对10种浓度为200 olL 对映异构和结构相似氨基酸的区分。霍丹群等[41]以卟啉及其衍生物、酸碱指示剂以及极性指示剂为传感元件，构建了一种6×6的传感阵列，可以在5 min内对浓度为375 olL的10种氨基酸进行鉴别。Miranda等[33]构建了一种以酶纳米金粒子为传感单元的传感器阵列，通过酶催化反应使传感器的灵敏度大大提高。该传感器成功地对浓度为1 nmolL，基质为磷酸盐缓冲溶液或脱盐人体尿液的蛋白质进行了鉴别区分，灵敏度远高于当前其它传感器检测方法。

3.2.3糖类的检测糖类作为维持生命活动的重要营养物质，既是主要能源物质，又与多种生物分子如蛋白质存在特异性识别作用，对众多生理过程起着至关重要的作用，因此对糖类物质的检测非常重要。硼酸因其可与二羟基化合物进行可逆、高亲和性的结合，而被广泛用作糖分子识别单元。Schiller等[30]构建了以添加有苄基紫罗碱的二硼酸阳离子为基本单元的传感器阵列，二硼酸阳离子与阴离子荧光染料8羟基芘1，3，6三磺酸钠（HTPS）形成复合物，电子从HTPS转移到二硼酸阳离子，导致HTPS荧光强度降低。当加入糖类后，糖类与硼酸形成硼酸酯，部分中和了二硼酸阳离子的正电荷，降低了对HTPS的荧光猝灭效应，从而使荧光增强。该传感器对浓度为2 mmolL的12种糖类进行了区分，准确率达100%。Lim等[32]将pH指示剂固定于溶胶凝胶基质上，构建了一种简单、廉价的传感器阵列，对15种单糖、二糖和人工甜味剂进行了区分。在生理酸度下，对葡萄糖的检测限低于1 mmolL。在检测糖类方面，硼酸也存在一些局限，如与某些糖类结合常数很小或不结合，Janowski等[42]构建了一种含Pd2+指示剂复合物的传感器用于糖类的检测。根据指示剂取代的原理，在中性条件下35 mmolL的10种糖类进行了区分。

3.2.4细胞、细菌及疾病的检测将光化学比色传感器阵列用于细胞、细菌及疾病的检测也有一定的研究。Bajaj等[43]利用对苯撑乙炔共轭荧光聚合物构建传感器阵列，对不同种类的癌细胞及等基因的正常细胞、癌细胞和转移细胞进行了鉴别。共轭聚合物具有分子导线效应，可以增强信号的产生，并且，共轭聚合物链具有多个识别位点与分析物作用，既可以增加结合效率，又可以提高对特定分析物的选择性。2011年，Kong等[35]根据热化学发光现象构建了由6种纳米催化材料组成的传感器阵列，实现了12种人类细胞的鉴别。热化学发光是指当有机物或生物物质被热氧化而产生化学发光的现象。催化放大反应可以明显增强热化学发光强度而使灵敏度提高，并且检测结束后可以通过在更高温度下使分析物降解而达到传感材料再次利用的目的。Carey等[34]构建了含36种指示剂的传感器阵列，通过检测细菌生长产生的挥发性有机化合物，实现了对10种细菌的鉴别。Mazzone等[44，45] 采用比色传感器阵列，通过检测人呼出的气体，借助于癌症细胞与正常细胞代谢过程中产生挥发性气体的差异，实现了对肺癌的早期诊断。但比色传感器阵列对于复杂混合物的分析仍然存在较大的瓶颈，要筛选出足够多的对多种分析物具有不同亲和力的指示剂仍存在一定的困难。分子印迹技术可以在印迹聚合物合成过程中通过不同模板及单体的选择而获得对多种分子具有不同亲和力的分子印迹材料，结合了分子印迹等分离技术的传感器阵列将会在疾病诊断中发挥重要的作用[46]。

3.3离子和小分子的检测

3.3.1金属阳离子的检测金属阳离子是生命科学、环境科学、农业和医学等许多领域的研究对象，对金属阳离子的检测和识别是的重要任务之一。光化学比色传感器阵列为金属阳离子的检测提供了方便、快速、廉价的方法。Abbaspour等[47]构建了一个以纸为基质的光化学比色传感器阵列，快速地对Fe2+和Fe3+进行了定性和定量检测。Li等[48]利用DNA探针构建传感器，通过传感单元颜色的变化对重金属离子Hg2+进行定性和定量检测，灵敏度达0.1 nmolL。本课题组也在重金属离子的比色传感器阵列快速检测上进行了大量研究[49，50]， 通过使重金属离子溶液透过固载有指示剂的多孔硅胶基质膜，达到富集效果，提高重金属离子的检测灵敏度。锂盐是治疗躁狂症和双相情感障碍的首选用药，其药物浓度是情感性精神疾病诊断、治疗、监测、预防复发和病因学研究的重要指标。2009年，Severin研究组[51]合成了1种三核的大环荧光化合物，对Li+具有很强的选择性，在过量Na+存在的水溶液和血清中均能对Li+进行很好地检测。但该实验中，荧光化合物的合成过程非常复杂，且传感器整体的荧光强度也较弱。基于前期工作，该研究组随后设计了一种更简单有效的传感器阵列[52]。在中性缓冲溶液中，将商品化的二羟基吡啶配体和Ru的复合物以及荧光物质（HPTS）混合，含HPTS的大环化合物通过自组装的方式形成，并使HTPS的荧光猝灭。加入Li+后，荧光增强。该传感器对Li+有很好的选择性，检测浓度低于1 mmolL。

2012年，Anzenbacher等[53]利用纳米纤维，制造了一种可穿戴的传感器，用于金属离子的检测。分别掺杂有丹磺酰氯和多胺的两根纳米纤维本身均不带荧光，而在两根纳米纤维的交叉点处，两种物质发生反应，生成荧光物质。加入金属离子后，荧光会相应地增强或减弱。每个传感单元的体积非常小，仅为10_Symbolm@@_18 L。每个传感单元约能容纳1000个荧光探针分子，使荧光比较集中，从而有利于用光学显微镜进行检测。该实验采用3种荧光前体和3种多胺构建了荧光阵列传感器，通过4个荧光发射通道检测加入金属离子后荧光的变化，对200 olL的10种金属离子进行了准确的区分。并且，将该纳米纤维制成的传感器毡沉积到丁腈手套上，用于20 olL Co2+溶液的检测，荧光猝灭现象非常明显。

3.3.2阴离子的检测相对于等电位的阳离子来说，无机阴离子半径更大，因而电荷半径比更小，从而降低了阴离子与受体的静电结合效率；并且，阴离子有相对高的溶剂化自由能，需要受体与介质进行有效的竞争，这种效应在水溶液中尤其明显。因此在水溶液中，无机阴离子比阳离子的检测更困难，阴离子的检测往往是衡量新检测方法的一个重要指标[54，55]。Palacios等[54]以聚氨酯水凝胶为基底，构建了一种含8个传感单元的传感器阵列，聚氨酯水凝胶不仅为传感单元提供机械支持， 还有助于萃取目标阴离子。该传感器对F_Symbolm@@_和HP2O73_Symbolm@@_具有选择性，而对AcO-，Cl-等阴离子有明显的交叉响应，可对10种阴离子进行区分，已成功地应用于不同品牌牙膏的鉴别。传感器阵列与10种阴离子反应后产生不同的颜色改变（其中NO-3与HSO-4浓度为20 mmolL，其余阴离子浓度为5 mmolL），即使用肉眼观察，也能将10种离子区分开。Comes等[56]用含纳米结合袋和染色剂的中孔固体材料应用于水中磷酸根的检测，对磷酸的选择性好，检出限低于1×10-4 molL。2011年，本研究组[57]构建指示剂取代法传感器阵列，对宽浓度范围内多个浓度的Cl-， Br-和I-进行了准确区分。随后，本组[58]采用类似方法构建传感器阵列，对浓度为污水排放标准或饮用水标准的10种阴离子进行了有效区分，且可部分用于真实水样的测定。

3.3.3有机小分子的检测由于存在水的潜在干扰，水溶液中有机化合物的识别具有一定的挑战[59]。光化学比色传感器阵列成功地应用于水溶液中有机小分子的检测，如羧酸[60]，胺类[61]，诺氟沙星[62]等。Greene等[63]将分子印迹聚合物与指示剂取代法相结合，构建传感器阵列，成功用于7种胺类的区分。Zhang等[59]选择了3类指示剂：与路易斯碱作用的含金属离子的指示剂；与布朗斯特酸碱作用的酸碱指示剂，以及反映偶极变化的指示剂，并用这些指示剂构建了含36个基本单元的传感器阵列，用于水溶液中多种有机物的区分。该传感器将疏水指示剂固定到疏水膜上，因此不受溶液中盐浓度、离子强度以及强亲水物质的影响，已应用于20余种有机小分子的检测，即使结构非常相似的物质也能被区别开。

3.4混合物的检测

对于混合物的检测，传感器阵列模仿哺乳动物的嗅觉味觉系统，通过众多传感器单元与分析物之间的复合响应，而对各个混合物进行区分。传统的混合物分析方法是通过联用色谱、质谱等技术，对混合物中的各种成分进行逐一分析。对于成分复杂的混合物，这种方法往往耗时较长，且鉴于分离材料的局限，很难将所有成分逐一解析。很多情况下（如产品品质控制），对混合物进行分析，目标并不是分析混合物中的每种成分，而是比较几种混合物之间的差别或者监测混合物发生的变化。传感器阵列不能对混合物中每种成分进行鉴别，但却能很好地应用于这种评估。光化学比色传感器阵列在食品和饮料的质量控制方面已广为应用，如不同香型白酒的鉴别[64]，不同品牌啤酒的区分[65]，肉类新鲜度的检测[66，67]等。Zhang等[68]将25种商品化的指示剂固定到疏水膜上构建传感器阵列，成功用于14种软饮料的区分，并且能分辨出经脱气和稀释过的软饮料。Musto等[69]用有机硅烷将指示剂固定，然后固载到多孔疏水膜上，构建传感器阵列，用于大量天然和人工甜味剂的鉴别，多孔的固载材料使分析物和指示剂之间的反应加快，提高了反应效率。肉类在贮存、加工和运输过程中容易受外界环境和微生物等影响，而产生腐败变质，使品质下降，其新鲜度水平的评定非常重要。Huang等[66]将9种指示剂固载在反相硅胶板上构建传感器阵列，用于鱼肉新鲜度的评估。采用顶空方式，将传感器阵列暴露在不同新鲜度鱼肉中，根据传感器阵列暴露前后的颜色变化对鱼肉新鲜度进行分析，该方法也可用于高蛋白含量的其它食物的分析。