催化反應(yīng)的基本原理精選(九篇)

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第1篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)教材;化學(xué)動力學(xué);內(nèi)容選取的比較;內(nèi)容編排的比較

文章編號：1008-0546（2014）12-0055-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.022

化學(xué)動力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機理的物理化學(xué)分支學(xué)科[1]，主要通過研究化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的具體過程和路徑，認識化學(xué)反應(yīng)從開始到完成的各個步驟（反應(yīng)歷程），從而探究出化學(xué)反應(yīng)速率的大小及其影響因素，找到控制反應(yīng)速率的方法，并將其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要?；瘜W(xué)動力學(xué)的研究對化工領(lǐng)域、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和食品等學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。

高中階段化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容主要包括化學(xué)動力學(xué)基本理論和催化反應(yīng)動力學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，是學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)機理的基礎(chǔ)，也是學(xué)生認識化學(xué)工業(yè)的起點。這部分內(nèi)容看似簡單，但是其蘊含的學(xué)科思維的教學(xué)價值不容忽視。通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以在明確化學(xué)變化的基礎(chǔ)上，認識化學(xué)變化所遵循的基本原理和規(guī)律以及化學(xué)變化與時間的定量關(guān)系，建立對化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的微觀認識，形成化學(xué)學(xué)科思維，了解到化學(xué)反應(yīng)原理對科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展所起的重要作用，能對生產(chǎn)、生活和自然界中有關(guān)化學(xué)變化的現(xiàn)象進行合理的解釋，增強探索化學(xué)反應(yīng)原理的興趣。

高中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)動力學(xué)部分內(nèi)容的主要媒介是高中化學(xué)教材，教材中這部分內(nèi)容的選取和編排直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。世界發(fā)達國家高中化學(xué)教材在化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容設(shè)計上特點各異。本文對中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的選取、編排和呈現(xiàn)特點進行了比較研究，并根據(jù)我國的教育現(xiàn)狀和學(xué)情批判性地借鑒國外高中化學(xué)教材中這部分內(nèi)容設(shè)計的可取之處，希望可以為我國高中化學(xué)動力學(xué)部分的教學(xué)及教材編寫提供反思和參考。

一、內(nèi)容選取的比較[2]

本文選取的研究對象依次是：人民教育出版社2007年出版的《化學(xué)2（必修）》[3]，《化學(xué)反應(yīng)原理（選修4）》[4]（中國）;Glencoe/ McGraw-Hill出版公司2009年出版的Chemistry：Concepts and Application[5]（化學(xué)：概念與應(yīng)用）（美國）;巴伐利亞教育出版社2009年出版的GALVANI Chemie 11?Ausgabe B[6]（德國）。

高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容主要包括化學(xué)動力學(xué)基本理論和催化反應(yīng)動力學(xué)兩部分。中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容選取見表1。

1. 化學(xué)動力學(xué)基本理論內(nèi)容選取的比較

高中化學(xué)教材中的化學(xué)動力學(xué)基本理論主要包括化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)速率理論兩部分，從表1中可以看出：在化學(xué)反應(yīng)速率內(nèi)容的選取上，三個國家的高中化學(xué)教材中都選取了化學(xué)反應(yīng)速率的定義、影響反應(yīng)速率的因素及其規(guī)律。中國和德國的高中化學(xué)教材中選取的內(nèi)容還包括：化學(xué)反應(yīng)速率的表達式、計算、單位和實驗測量。此外，德國高中化學(xué)教材中選取的內(nèi)容還包括：平均反應(yīng)速率，瞬時反應(yīng)速率，離散程度的概念模型和RGT規(guī)則。

在反應(yīng)速率理論內(nèi)容的選取上，三個國家各不相同，德國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容包括：碰撞理論和過渡態(tài)理論，其中碰撞理論介紹了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的三個條件，分別是粒子必須發(fā)生碰撞、粒子必須具備一定的能量和粒子的碰撞必須在一定方向上;過渡態(tài)理論介紹了過渡態(tài)、放熱反應(yīng)的過渡態(tài)能量曲線圖和活化能。中國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容包括：簡化后的有效碰撞模型，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的兩個條件，即分子必須發(fā)生碰撞（充分條件）和有效碰撞（必要條件）;過渡態(tài)理論中只選取了活化分子和活化能兩個概念，并沒有介紹過渡態(tài)理論的內(nèi)容。美國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容只有活化能，在此基礎(chǔ)上介紹了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件，即分子碰撞時必須具備一定的能量，理論要求較低。

2. 催化反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)容選取的比較

高中化學(xué)教材中的催化反應(yīng)動力學(xué)主要包括催化劑、酶和抑制劑三方面的內(nèi)容，從表1中可以看出：在催化劑內(nèi)容的選取上，三個國家的高中化學(xué)教材都選取了催化劑的概念、性質(zhì)和催化作用原理。不同的是德國高中化學(xué)教材中還詳細介紹了催化作用的兩種方式，即均相催化和多相催化;在生物催化劑――酶的內(nèi)容選取上，中國和美國的高中化學(xué)教材比較相似，選取的內(nèi)容主要有：酶的概念、性質(zhì)和實際應(yīng)用;德國高中化學(xué)教材選取的內(nèi)容主要有：酶的概念、性質(zhì)，酶-底物復(fù)合物，酶的作用方式（模型），作用特異性，底物特異性，酶活性的影響因素以及酶的實際應(yīng)用;在抑制劑內(nèi)容的選取上，只有美國和德國高中化學(xué)教材中選取了抑制劑的概念和實際應(yīng)用，此外德國高中化學(xué)教材中還介紹了三種類型的抑制作用及其特點。由此可以看出德國高中化學(xué)教材比較重視催化反應(yīng)動力學(xué)這一部分，選取的內(nèi)容比較全面。

二、內(nèi)容編排和呈現(xiàn)的比較[7]

如何編排和呈現(xiàn)教材內(nèi)容是編制教材中非常重要的一個方面。中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的章節(jié)分布如表2所示。

從表2中可以看到：中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的編排順序大體相同，都是在介紹化學(xué)反應(yīng)速率概念的基礎(chǔ)上，介紹外界因素對反應(yīng)速率的影響及其應(yīng)用，最后介紹催化反應(yīng)動力學(xué)的內(nèi)容;但是反應(yīng)速率理論的內(nèi)容在三國高中化學(xué)教材中的編排各不相同。各國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)部分的編排和內(nèi)容呈現(xiàn)的具體情況如下：

中國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容編排在兩本教材中，必修2中首先介紹化學(xué)反應(yīng)速率的定義，然后通過實驗定性地介紹溫度和催化劑對反應(yīng)速率的影響，最后在科學(xué)視野中簡單介紹催化劑和酶及其應(yīng)用;選修4在此基礎(chǔ)上，首先在緒言部分簡單地介紹碰撞理論、活化分子和活化能，然后在第二章中定量地介紹反應(yīng)速率的表達式，并呈現(xiàn)了測量反應(yīng)速率的實驗，最后進一步通過實驗探究影響反應(yīng)速率的因素及其規(guī)律，并從微觀角度結(jié)合活化分子百分數(shù)和有效碰撞頻率給予解釋。因此中國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)部分采取螺旋式上升的編排方式。

美國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容編排在第六章第3節(jié)的反應(yīng)速率這一小標題中，首先在介紹活化能的基礎(chǔ)上，從能量角度引出了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件，即分子碰撞必須具備一定的能量;然后通過生活實例定性地介紹化學(xué)反應(yīng)速率的概念和外界因素對反應(yīng)速率的影響及其規(guī)律;最后介紹催化劑和抑制劑，其中重點介紹酶及其在生命體內(nèi)的重要作用，簡單介紹抑制劑的作用和實際應(yīng)用。

德國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容編排在第七章“反應(yīng)速率和酶的催化作用”，共有十小節(jié)內(nèi)容，第1節(jié)定量地介紹化學(xué)反應(yīng)速率，通過測定鹽酸和鎂反應(yīng)生成的氣體體積這一實驗，繪制出氣體體積――時間曲線，然后讀取相應(yīng)時間上的氣體體積，利用圖解法計算平均反應(yīng)速率，理解瞬時反應(yīng)速率，呈現(xiàn)了定量計算化學(xué)反應(yīng)速率的科學(xué)方法和具體過程。第2節(jié)從微觀角度全面地呈現(xiàn)碰撞理論和過渡態(tài)理論的內(nèi)容，并解釋化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件和過程。之后從第3節(jié)到第5節(jié)通過設(shè)計探究實驗依次介紹了固體表面積、濃度和溫度對反應(yīng)速率的影響及其規(guī)律，并運用模型和反應(yīng)速率理論來解釋各因素的影響規(guī)律，其中溫度對反應(yīng)速率的影響規(guī)律用RGT規(guī)則表示，即溫度每升高10℃，反應(yīng)速率提高一倍，此外還介紹了各因素的影響規(guī)律在生活和生產(chǎn)實例中的應(yīng)用。第6節(jié)在介紹活化能的基礎(chǔ)上，解釋催化劑提高反應(yīng)速率的原因，然后介紹催化劑、催化作用的兩種方式及其過程和實例。最后從第7節(jié)到第9節(jié)詳細介紹酶，依次介紹了酶的概念和性質(zhì)、酶的作用方式和酶活性的影響因素，并呈現(xiàn)了酶在食品工業(yè)和生物分析中的應(yīng)用實例。第10節(jié)介紹抑制劑的概念、作用和三種類型的抑制作用及其特點，在章末以概念圖的形式展示本章知識點之間的聯(lián)系。由此可以看出德國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)部分的內(nèi)容體系完整，并以直線型編排。

三、結(jié)論

通過分析和比較中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容選取、編排和呈現(xiàn)，得到以下結(jié)論：

（1）在化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的選取上，德國高中化學(xué)教材既重視化學(xué)動力學(xué)基本理論部分，也重視催化反應(yīng)動力學(xué)部分，整體內(nèi)容選取的較系統(tǒng);中國高中化學(xué)教材比較重視化學(xué)動力學(xué)基本理論的內(nèi)容，淡化催化反應(yīng)動力學(xué)的內(nèi)容;美國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)部分的內(nèi)容不僅少而且簡單。

（2）在化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的編排和呈現(xiàn)上，德國高中化學(xué)教材以直線型編排，通過展示學(xué)習(xí)知識的科學(xué)方法和過程，深入透徹地講解概念和原理，而且通過一些生產(chǎn)生活實例和插圖來體現(xiàn)知識的實用性，并在章末以概念圖的形式展示本章知識點之間的聯(lián)系，整體結(jié)構(gòu)比較完整，有利于學(xué)生初步建立起化學(xué)動力學(xué)的知識體系;中國高中化學(xué)教材則采取螺旋式上升的編排方式，但是應(yīng)用方面的內(nèi)容不足，與現(xiàn)實生活有些脫節(jié);美國高中化學(xué)教材是通過生活實例或者創(chuàng)設(shè)情境來編排和呈現(xiàn)教材內(nèi)容，并重視知識的應(yīng)用價值。

四、啟示

普通高中化學(xué)課程標準中規(guī)定，化學(xué)教學(xué)要體現(xiàn)課程改革的基本理念，引導(dǎo)學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，掌握最基本的化學(xué)知識和技能，了解化學(xué)科學(xué)研究的過程和方法;在實際教學(xué)過程中要盡量聯(lián)系生產(chǎn)、生活實際，幫助學(xué)生拓寬視野，開闊思路，也要發(fā)揮實驗的教育功能，重視探究學(xué)習(xí)活動，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。高中化學(xué)教材要為課程改革和教學(xué)服務(wù)，在分析和了解了中美德三國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容設(shè)計的特點之后，結(jié)合我國的教育現(xiàn)狀及課程標準中化學(xué)動力學(xué)部分的內(nèi)容標準，批判性地借鑒國外高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)部分內(nèi)容設(shè)計的可取之處，對我國高中化學(xué)教材中化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的編寫和實際教學(xué)提出如下啟示：

（1）在化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的選取上，我國應(yīng)將與生活密切相關(guān)的催化劑和酶的知識以及應(yīng)用實例更加豐富地編入高中化學(xué)教材;在化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容的編排和呈現(xiàn)上，我國高中化學(xué)教材應(yīng)重視化學(xué)知識產(chǎn)生過程的呈現(xiàn)和科學(xué)方法的運用，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力提供真實的情境。

（2）在實際教學(xué)過程中，教師對于催化劑的應(yīng)用案例應(yīng)更加貼近時代和生活，讓學(xué)生體驗和認識到化學(xué)科學(xué)對人類生活的真實影響以及化學(xué)知識的實用性;還應(yīng)注重從學(xué)生認知規(guī)律的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)更多真實情境或生活實例來呈現(xiàn)化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)理論和催化劑的內(nèi)容，使學(xué)生對知識的認識從感性認識逐漸上升到理性認識。

參考文獻

[1] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室. 物理化學(xué)（下冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2009：507

[2] 田紅，周青，楊輝祥. 英國“Advanced Chemistry”教材有機化學(xué)內(nèi)容編排的評析[J].化學(xué)教育，2008，（3）：10-12

[3] 課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書化學(xué)2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：47-50

[4] 課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書化學(xué)反應(yīng)原理（選修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：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：工業(yè)催化；化學(xué)工藝學(xué)；教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0145-02

一、課程教學(xué)基本情況

石河子大學(xué)對化學(xué)工程與工藝專業(yè)和應(yīng)用化學(xué)本科專業(yè)開設(shè)了《化學(xué)工藝學(xué)》，該課總學(xué)時36，總學(xué)分2，教材選用的是朱志慶和房鼎業(yè)編審、化學(xué)工業(yè)出版社出版的2013版《化學(xué)工藝學(xué)》。課程設(shè)置的目的是培養(yǎng)從事化工生產(chǎn)領(lǐng)域的設(shè)計、運行與研究開發(fā)工作的高級工程技術(shù)人才。

二、理論教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

1.課程內(nèi)容的改革。催化技術(shù)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，80%以上的化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)需要使用催化劑?！痘瘜W(xué)工藝學(xué)》教材中幾乎每一章都涉及不同類型的催化劑，然而大多數(shù)同學(xué)對工業(yè)催化劑及其應(yīng)用條件還不太了解。因此本書中介紹了工業(yè)催化劑的類型、制備方法及其原理，使同學(xué)們對工業(yè)催化有直觀的認識，在本書的緒論部分我們有針對性地介紹了一些不同種類催化劑的基礎(chǔ)知識。

多相催化反應(yīng)的共同特點是反應(yīng)物在催化劑表面通過化學(xué)吸附生成活性中間體，在催化劑催化作用下，活性中間物進行化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物，產(chǎn)物從催化劑表面脫附，催化劑得以復(fù)原。通常用“/”來區(qū)分載體與活性組分，如Ru/Al2O3表示釕負載在氧化鋁載體上，Pt/SiO2則表示鉑負載在氧化硅載體上。用“-”來區(qū)分各活性組分及助催化劑，如Pt-Sn/Al2O3表示鉑和錫雙金屬催化劑負載在氧化鋁載體上。通過這部分知識的學(xué)習(xí)，在教材中遇到不同催化劑時，同學(xué)們就能夠自己進行判斷：這種工業(yè)催化劑的活性組分是什么？載體用的是什么材料？一般來說，工業(yè)催化劑是一種多相化學(xué)反應(yīng)過程，要求催化劑具有適宜的活性、高選擇性和長的壽命，讓同學(xué)們對工業(yè)催化劑有更加直觀的了解。工業(yè)催化劑種類眾多，制備方法各異，并且工業(yè)催化劑一般裝填量巨大，因此給同學(xué)們介紹工業(yè)催化劑的制備方法是非常重要的。常用固體催化劑的制備方法有沉淀法、浸漬法、混合法、熔融法、瀝濾法等。其中沉淀法和浸漬法是常用的制備方法，沉淀法是在含金屬鹽類的溶液中，加入沉淀劑，以便生成水合氧化物或碳酸鹽的結(jié)晶或凝膠，再將生成的沉淀分離、洗滌、干燥和焙燒。浸漬法制備催化劑有所不同，首先制備催化劑載體，載體是一種多孔的吸附材料，再將待負載組分的可溶性化合物溶解在水或溶劑中，配制成一定濃度的浸漬液，用配置好的浸漬液與載體混合，吸附一定時間，濾去過剩溶液，固體經(jīng)過干燥、煅燒和還原后制得負載型催化劑。固體催化劑最終都是以一定形態(tài)和尺寸在反應(yīng)器中使用，這是為了使氣體通過床層時不至于產(chǎn)生過大的壓降，使氣液在催化劑床層分布均勻。此外，工業(yè)催化劑還需承受搬運、裝填和操作過程中氣流沖擊等破壞。這要求催化劑具有一定的機械強度，因此催化劑成型是非常重要和必要的單元操作。通常工業(yè)催化劑有柱狀、球形、三葉草和空心形狀等。在成型方式上，一般可分為自給造粒成型和強制造粒成型，自給造粒成型包括滾動成球、噴動床成球等。強制造粒成型有壓片、擠條、破碎、滴液、噴霧干燥等。如Al2O3是最廣泛使用的催化劑載體，其加入粘結(jié)劑后具有較好的塑性，可通過擠條的方法成型――類似于壓面條的方法，一定粘度的Al2O3塑性體通過擠條機擠壓成型，選擇不同的擠出模具就可以制得各種形狀的催化劑。催化劑制備完成后不能立即使用，還需經(jīng)過煅燒活化才能填入反應(yīng)器中使用。煅燒是通過熱分解除掉易揮發(fā)組分而保留一定的化學(xué)組成，煅燒可以控制催化劑晶型、晶粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，同時提高催化劑的機械強度。為了形成催化反應(yīng)所需的活性結(jié)構(gòu)，催化劑一般還需進行活化處理，活化是將催化劑由鈍態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫姂B(tài)催化劑的過程。通?？刹捎眠€原、氧化、硫化、羥基化等處理方法使催化劑活化。催化劑活化可以在反應(yīng)器外進行，也可以直接在反應(yīng)器中進行。

在之后的章節(jié)中，當(dāng)工藝過程中有催化劑參與時，我們都會簡單介紹所涉及的催化劑的特點及其制備方法，如第二章化工原料及其初步加工中。在介紹費托合成時，我們會簡單介紹一下沉淀鐵催化劑的制備方法，介紹近年來國內(nèi)外對提高鐵基催化劑的活性和選擇性做的一些研究工作。在介紹合成氣制甲醇的MTG工藝時，我們會介紹分子篩的特點，分子篩的幾種重要的合成方法及其影響因素，以及分子篩擇形選擇性在工業(yè)催化上的重要應(yīng)用。第三章無機化工產(chǎn)品典型生產(chǎn)工藝中，我們會介紹工業(yè)上甲烷水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制合成氣催化劑的制備，包括載體的選擇、Ni擔(dān)載量的選擇、助劑的選擇、擔(dān)體表面改性的影響等。在氨的合成章節(jié)中，我們將詳細介紹典型熔鐵催化劑的制備方法：將一定量的精選磁鐵礦粉、還原劑與適量的助劑混合，放入特殊的鋼制爐內(nèi)，通電后依靠物質(zhì)的導(dǎo)電性及自身電阻，使混合物通電發(fā)熱熔融，隨后把高溫熔漿迅速置入冷卻槽內(nèi)，冷卻至室溫后凝結(jié)成黑色堅硬固體，經(jīng)粉碎、篩取一定粒度的催化劑，就可以得到合成氨熔鐵催化劑。第四章基本有機化工產(chǎn)品典型生產(chǎn)工藝第4.3節(jié)，我們介紹了NiW/γ-Al2O3加氧催化劑的制備方法：將20～40目的γ-Al2O3載體于120℃干燥4 h，測試單位質(zhì)量載體的吸水量，以活性組分擔(dān)載量為依據(jù)，配制一定濃度的硝酸鎳和偏鎢酸銨鹽的混合溶液作為浸漬液，將干燥后的氧化鋁載體浸漬在此浸漬液中3 h，過濾出催化劑，在120℃下干燥3 h，然后在500℃下培燒4 h，得到不同Ni/W原子比的加氧催化劑。

2.理論教學(xué)方法的改革。化學(xué)工藝學(xué)中涉及的工藝流程圖眾多，典型的工藝包括合成氨工藝、氯乙烯制備工藝等，若采用傳統(tǒng)的用粉筆板書的形式在黑板上畫工藝流程度，不僅費時費力，而且授課過程枯燥，不利于學(xué)生理解。因此在教學(xué)中，我們采用多媒體教學(xué)，畫出工藝流程圖，并且在課件中制作了大量的生動的工廠現(xiàn)場照片、二維動畫、三維動話等多種教學(xué)形式的改進。教學(xué)手段的多樣化是提高教學(xué)效果的重要途徑，采用該教學(xué)方式擴大了教學(xué)信息量，使學(xué)生對化工典型產(chǎn)品工藝流程有總體的、深刻的認識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。

三、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的探索

雖然石河子大學(xué)化學(xué)工藝學(xué)這門課沒有安排實踐教學(xué)內(nèi)容，但本校有多臺大型專業(yè)實驗設(shè)備，在理論課教學(xué)結(jié)束后，我們組織學(xué)生參觀專業(yè)實驗室，通過教師現(xiàn)場演示，使同學(xué)們了解小裝置工藝流程和主要設(shè)備。我校目前現(xiàn)有的相關(guān)專業(yè)實驗裝置有：乙苯脫氫制苯乙烯，催化裂化裝置，原油實沸點蒸餾儀，固定床催化加氫裝置等。如在講授催化裂化設(shè)備時，我們以流化床催化裂化裝置為例，介紹裝置的主要設(shè)備：流化床反應(yīng)器，再生器，加熱爐，分餾塔。通過運行裝置，使同學(xué)們加深對催化裂化工藝流程及參數(shù)的理解。在講授乙苯脫氫制苯乙烯時，我們會結(jié)合乙苯脫氫實驗裝置，給同學(xué)們介紹反應(yīng)溫度、壓力對苯乙烯轉(zhuǎn)化率的影響。教材中雖然沒有介紹苯乙烯轉(zhuǎn)化率的計算，但我們將根據(jù)裝置自帶的氣相色譜分析儀，講述苯乙烯轉(zhuǎn)化率的計算方法。通過一系列實踐教學(xué)改革，培養(yǎng)同學(xué)們對所學(xué)專業(yè)知識綜合理解能力和應(yīng)用實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)的化工專業(yè)知識，獨立分析和解決化工生產(chǎn)中實際問題的能力。

四、結(jié)語

綜上所述，改革后的《化學(xué)工藝學(xué)》課程在理論教學(xué)中引入了工業(yè)催化知識，以典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為主線，課程以講授為主，同時綜合運用多媒體教學(xué)手段和“啟發(fā)與互動式”等教學(xué)方法，將專業(yè)實驗儀器作為實踐性教學(xué)的重要組成部分引入到理論課教學(xué)中，使同學(xué)們深入理解化學(xué)加工過程的基本原理、工藝參數(shù)、流程組織、環(huán)境影響等，充分調(diào)動化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生運用化學(xué)工程與工藝基本原理解決實際生產(chǎn)問題的能力，收獲了可觀的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]汪俊鋒，常杰，陰秀麗，付嚴.改進共沉淀法制備Cu基甲醇催化劑[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2004，（02）.

第3篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們通過室內(nèi)裝飾裝修來追求工作生活環(huán)境的舒適性和美觀性，而隨之帶來的由揮發(fā)性有機物（VOCs）造成的室內(nèi)空氣污染問題越來越嚴重，室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）越來越差。這些VOCs主要包括甲苯、甲醛、甲醇、三甲烷、苯及NH3等，它們不僅具有毒性，而且種類繁多，降解難度大，成為空氣污染治理中的一個棘手問題。納米TiO2光催化凈化技術(shù)以溫和的反應(yīng)條件、較高的化學(xué)穩(wěn)定性、低廉的價格、對人體和環(huán)境無毒無害、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，成為最具潛力的空氣凈化技術(shù)之一。

1納米TiO2光催化作用的基本原理

TiO2是一種N型半導(dǎo)體氧化物，TiO2粒子的能帶結(jié)構(gòu)是由一個充滿電子的低能價帶（VB）和一個空的高能導(dǎo)帶（CB）構(gòu)成的，它們之間由禁帶分開。當(dāng)TiO2粒子受到能量（E）大于或等于禁帶寬度（Eg）的光照時，價帶中的電子會吸收光子的能量，越過禁帶進入導(dǎo)帶，從而在導(dǎo)帶產(chǎn)生自由電子，同時在價帶產(chǎn)生空穴，形成電子—空穴對。由于半導(dǎo)體的能帶間缺少連續(xù)區(qū)域，所產(chǎn)生的電子—空穴對的壽命較長，在電場作用下分離并遷移到粒子表面。納米TiO2的光催化作用主要依賴于光生空穴的強氧化能力，可奪取半導(dǎo)體納米粒子表面有機物或溶液中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)都被活化氧化，將其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成•OH，再由•OH無選擇地將有機物氧化，最終降解為CO2和H2O等簡單的無機物。光生電子與O2反應(yīng)生成•OH和O2-等活性氧類也能參與氧化還原反應(yīng)。

納米TiO2光催化降解室內(nèi)VOCs的機理是利用生成的•OH、O2-等具有強氧化性的基團，將室內(nèi)空氣中的甲醛、甲苯等VOCs最終分解成CO2、H2O以及無機物等無害物質(zhì)，達到消除VOCs的目的。VOCs降解過程可用下式表達：（略）。

2納米TiO2光催化降解室內(nèi)VOCs的應(yīng)用

目前，以納米光催化技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品已經(jīng)大量開發(fā)并涌入市場，如，納米空氣凈化器、納米TiO2涂料等。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者對納米TiO2的制備、性能展開了深入的研究，并取得了可喜的成果。

2.1在凈化器中的應(yīng)用

由于以機械過濾達到凈化空氣目的的凈化器只能去除空氣中一定粒徑范圍內(nèi)的顆粒物，還可能產(chǎn)生二次污染，對于室內(nèi)VOCs的降解不能夠起到理想的凈化效果，于是，人們開始尋求新的思路。納米TiO2光催化將VOCs氧化成CO2、H2O等小分子，具有良好的降解作用，被逐漸用于凈化器的制備。市場上開始出現(xiàn)了以TiO2為光催化劑的各種不同型式的光催化空氣凈化器，主要包括：迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、梳齒迭放組合式光催化空氣凈化殺菌裝置、單元結(jié)構(gòu)式光催化空氣凈化殺菌裝置、管狀光催化空氣凈化殺菌裝置、面光源光催化空氣凈化殺菌裝置等。但當(dāng)污染物濃度較低時，光催化降解速率較慢，而且部分污染物不能完全礦化，會生成醛類、酮類以及有機酸等許多有害的中間產(chǎn)物，導(dǎo)致催化劑失活，影響凈化效果，再加上納米TiO2多為粉末狀，難以回收，不符合可持續(xù)發(fā)展，因此納米TiO2常通過固定和改性兩方面提高對VOCs的降解效果。

國內(nèi)學(xué)者古政榮等人提出了由支承體、活性炭和TiO2光催化劑組成的具有直通孔的多層結(jié)構(gòu)的蜂窩狀整體式凈化網(wǎng)，具有凈化效率高、氣流阻力小、可以原位再生等特點。對空氣中甲醛、甲苯、三氯乙烯、硫化氫和氨氣的降解效率分別為98.5%、98.8%、99.5%、99.6%和96.5%。單興剛等采用研制的固定床空氣凈化裝置，在二氧化鈦光催化劑中摻Ag，并以活性炭為載體，取得了優(yōu)異的空氣凈化效果，一次通過凈化裝置滅菌率可達96%，甲醛降解率可達99%以上，出口處細菌濃度和甲醛濃度分別達到醫(yī)院無菌室的要求和國家標準中對空氣中甲醛濃度的要求。

總體來看，納米TiO2的固定化主要方法是將TiO2粉末直接燒結(jié)或粘結(jié)在載體上的粉體燒結(jié)法，或?qū)⒓{米級的TiO2負載在載體上形成均勻連續(xù)的膜狀固定法。由于吸附劑不僅可以作為催化劑的載體，還能為光催化反應(yīng)提供高濃度環(huán)境，提高光催化反應(yīng)的效率，同時光催化作用降解吸附在吸附劑上的有機物，增強吸附劑的凈化能力，延長了吸附劑的使用壽命，因此納米TiO2常與吸附劑聯(lián)用降解室內(nèi)VOCs。催化劑的改性措施除了上述提到的金屬離子摻雜外，還有表面光敏化、添加貴金屬、催化劑表面預(yù)處理、金屬表面沉積等方法，它們通過影響光生電子和空穴，進一步增強催化劑的活性。

2.2在涂料方面的應(yīng)用

近幾年，關(guān)于納米TiO2涂料方面的報道越來越多，國內(nèi)外很多研究者將納米TiO2涂料涂于室內(nèi)建筑材料或室內(nèi)裝飾品，用于降解室內(nèi)VOCs。研究表明，納米TiO2涂料在有效分解室內(nèi)的有機污染物的同時能氧化去除空氣中的氮氧化物（NOX）和硫氧化物（SOX）以及各類臭氣等，且具有良好的抗菌效果。表1總結(jié)了不同制備方法的納米TiO2涂料對室內(nèi)VOCs的降解效果。

目前，納米TiO2涂料的制備方法主要有共混法和原位聚合法。前者方法雖然簡單，但難于解決納米粒子團聚問題，而后者的使用具有較大的局限性。這些都嚴重地影響了納米TiO2優(yōu)異性能的充分發(fā)揮，為了充分有效控制團聚，提高分散穩(wěn)定性，改善光催化活性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜洪泉以提高分散穩(wěn)定性和改善光催化氧化活性為目的，采用溶膠-凝膠法，以銳鈦礦型納米TiO2粉體為載體、Na2SiO3為包覆劑、H2SO4為中和劑，制備了納米TiO2/SiO2復(fù)合粉體，并確定了最佳包覆工藝條件：分散劑5027用量為2%（wt），分散液pH值為9.5左右，中和時間為2h，包覆溫度根據(jù)對其光催化活性的不同要求可控制為23℃或80℃，包覆劑Na2SiO3用量為6%（wt），陳化液pH值為9.0左右。

第4篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

【關(guān)鍵詞】碳四烯烴；歧化；丙烯；技術(shù)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，丙烯產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在社會生產(chǎn)的各個行業(yè)中，工業(yè)上生產(chǎn)丙烯的主要方法是裂解烴類，烴類在裂解過程中會產(chǎn)生大量的碳四烯烴副產(chǎn)物，隨著社會對丙烯產(chǎn)品需求量的增加，碳四烯烴歧化制丙烯技術(shù)越來越受人們的關(guān)注。

1 碳四烯烴歧化制丙烯的原理

烯烴化合物在催化劑和歧化反應(yīng)下，能轉(zhuǎn)化成新的系統(tǒng)化合物，烯烴歧化反應(yīng)的主要反應(yīng)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。上述的反應(yīng)式都是可逆的，從上式可以看出2―丁烯更容易生成丙烯，因此，在生產(chǎn)過程中，可以將1―丁烯轉(zhuǎn)換為2―丁烯，當(dāng)乙烯、2―丁烯、1―丁烯共同存在時，主要反應(yīng)為2―丁烯+乙烯丙烯和1―丁烯乙烯+己烯，但在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生己烯等副產(chǎn)物，因此，在反應(yīng)過程中，要控制好反應(yīng)條件，盡量減少反應(yīng)副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

2 OCT C4歧化工藝

2.1 歧化工藝

OCT 碳四歧化工藝是將新鮮的乙烯、乙烯二聚制1―丁烯過程中排出的正丁烯以及新鮮的正丁烯等三種物質(zhì)一起放入固定歧化反應(yīng)器中，在催化劑的作用下，使得正丁烯和乙烯歧化反應(yīng)生成丙烯，沒有反應(yīng)完全的乙烯和正丁烯可以循環(huán)使用。采用OCT 碳四歧化工藝制丙烯，乙烯轉(zhuǎn)換為丙烯的選擇性接近100%，而丁烯轉(zhuǎn)換為丙烯的選擇性為97%，制備丙烯的乙烯和丁烯來源比較廣泛，可以來源于各個煉廠的成產(chǎn)過程，也可以來自自蒸汽裂解裝置。

2.2 催化劑

OCT 碳四歧化工藝使用的催化劑為WO3/SiO2，異構(gòu)化催化劑為MgO，歧化和異構(gòu)化可以在同一個反應(yīng)器中進行，也可以在不同的反應(yīng)器中進行，當(dāng)WO3和MgO共同使用時，不僅會加快1―丁烯異構(gòu)成2―丁烯，還能提高歧化反應(yīng)效率。WO3催化劑是由氧化硅載體、鎢氧化物、ⅠA、ⅡA族金屬氧化物等三部分組成，氧化硅載體要具有比較高的比表面積，其比表面積最少要達到50m2/g，高純氧化硅載體中，SiO2的質(zhì)量分數(shù)要達到90%-99%；鎢氧化物可以是懸浮液、鎢氧化物前提，也可以是含水溶液；ⅠA、ⅡA族金屬氧化物包括這些金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等。

3 IFP公司C4歧化工藝

3.1 歧化工藝

IEP 碳四歧化工藝和OCT 碳四歧化工藝相比較，最大的特點采用低溫錸系催化劑進行催化反應(yīng)，整個反應(yīng)過程能在低溫的環(huán)境中完成。IEP 碳四歧化工藝是將包含1―丁烯、丁二烯、異丁烯的碳四烯烴轉(zhuǎn)換為丙烯和聚異丁烯，整個轉(zhuǎn)換過程分為3步，反應(yīng)的第一步是在溫度為20°-200°、空速為0.5h-1-10h-1、壓力為1MPa-5MPa的環(huán)境中，在催化劑的作用下，用H2選擇氫化丁二烯，并將1―丁烯轉(zhuǎn)換為2―丁烯；反應(yīng)的第二步是在酸性催化劑的作用下，將異丁烯聚合成聚異丁烯；反應(yīng)的第三步是在氧化錸催化劑及一定溫度、壓力的作用下，將乙烯、2―丁烯歧化生成丙烯，并將丙烯分離出來。

IEP 碳四歧化工藝需要一個反應(yīng)區(qū)和再生區(qū)，反應(yīng)區(qū)的催化劑部分失活或者全部失活后，將催化劑表面的有機物去除，然后在送入再生區(qū)再生。由于催化劑的失活、再生可以不斷循環(huán)，因此IEP 碳四歧化工藝的歧化反應(yīng)也可以連續(xù)進行，IEP 碳四歧化工藝對丙烯的選擇性大于98%，2―丁烯轉(zhuǎn)換為丙烯的轉(zhuǎn)換率為90%。

3.2 催化劑

IEP 碳四歧化工藝采用的催化劑是低溫錸系催化劑，該催化劑的反應(yīng)溫度為30℃，平衡轉(zhuǎn)化率為63%，錸系催化劑是由多孔氧化鋁載體、錸氧化物、鈮和/或鉭氧化物等三部分組成。氧化鋁載體中氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)要大于75%，錸氧化物的質(zhì)量分數(shù)為0.01%-20%，鈮和/或鉭氧化物的質(zhì)量分數(shù)為0.01%-30%。

4 BASF公司C4歧化工藝

4.1 歧化工藝

BASF 碳四歧化工藝和其他工藝的主要區(qū)別是在制丙烯過程中，幾乎不需要外加乙烯，BASF 碳四歧化工藝制備丙烯可以分為兩個步驟，第一步是在溫度為20°-29°，壓力為大于C4組分蒸汽壓的條件下，1―丁烯和2―丁烯在Re2O7/Al2O3的催化作用下，生成丙烯和2―戊烯，反應(yīng)的主要副產(chǎn)物為乙烯和3―己烯，反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)物通過出口的蒸餾塔進行分離；反應(yīng)的第二步是在催化劑的作用下，將第一步分離出來的C5/C6和乙烯反應(yīng)生成丙烯和1―丁烯。

4.2 催化劑

BASF 碳四歧化工藝使用的催化劑中至少含有一種Ⅷ族、ⅦB族、ⅥB族的金屬化合物，金屬化合物可以是金屬氧化物，也可以是含有機集團的部分氧化物，也可以是錸的氧化物。載體可以選擇Fe2O3、SiO2、Al2O3，一般情況下常選擇Al2O3，催化劑金屬氧化物的質(zhì)量分數(shù)要控制在1%-20%，剛制備的催化劑不需要活化能直接使用，當(dāng)催化劑失活后，需要通過燒炭再生。BASF 碳四歧化工藝的異構(gòu)化催化劑可以選擇過渡金屬，最好是選擇Ⅷ族、ⅦB族的貴金屬，載體可以選擇TiO2、SiO2、Al2O3。

5 幾種工藝的比較

OCT 碳四歧化工藝比較成熟，可以單獨使用，也聯(lián)合蒸汽裂解裝置使用，目前，OCT 碳四歧化工藝已經(jīng)工業(yè)化；IEP 碳四歧化工藝的特點是能在低溫的環(huán)境下制備丙烯，但這種工藝還沒有完全應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中；BASF 碳四歧化工藝最大的特點是幾乎不需要外加乙烯，這對生產(chǎn)丙烯有十分重要的意義。

6 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會各行業(yè)對丙烯的需求量越來越多，伴隨著我國乙烯工業(yè)的快速發(fā)展，副產(chǎn)物碳四烯烴的產(chǎn)量越來越多，利用碳四歧化技術(shù)生產(chǎn)丙烯，不僅能有效的利用碳四烯烴資源，還能增加丙烯的產(chǎn)量，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，增加企業(yè)的市場競爭力，促進企業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]王定博，王斌，張飛.碳四烯烴制丙烯和乙烯催化劑的研究[J].石油煉制與化工，2011（03）.

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

第5篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：汽車；空氣污染；控制對策

目前，我國大城市機動車污染已經(jīng)達到比較嚴重的程度，汽車造成的污染有交通揚塵、尾氣排放，尾氣中細小的顆粒物能引起呼吸系統(tǒng)疾病，損壞肺部；當(dāng)顆粒有毒時，可能導(dǎo)致癌癥，刺激皮膚和眼睛，造成皮炎、眼結(jié)膜炎?？梢?，汽車排放的有害廢氣，嚴重地危害著人類的健康。及時研究造成機動車排放污染的原因，并進行有效的控制已經(jīng)迫在眉睫。

一、汽車排氣污染

1.汽車排放污染物的來源。汽油車排放物中，氮氣約占71％、二氧化碳14％、水和水蒸氣13％，一氧化碳、氮氧化合物，碳氫化合物、二氧化硫占1％～2％。其污染的來源有三個：一是從排氣管直接排出的廢氣，主要的有害物質(zhì)是CO、HC、NOX；二是曲軸箱竄氣，即從活塞和氣缸壁之間的間隙中漏出，再經(jīng)過曲軸箱通氣孔排出的可燃混合氣體，其主要有害物質(zhì)是HC；三是燃油箱蓋、燃油箱通氣孔、油管等連接部位蒸發(fā)出的汽油蒸汽，其主要成分是HC。另外，汽車排放出大量的CO，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。

2.汽車排放污染物的主要成分及其危害。汽油車排氣中的污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOX)等。一氧化碳(CO)是汽油機不完全燃燒時產(chǎn)生的一種無色、無味的氣體，吸入人體后，和血液中的血紅蛋白結(jié)合成為一氧化碳血紅蛋白，阻止氧的輸送，使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴重時造成死亡；碳氫化合物(Hc)是發(fā)動機排氣中的未然盡的燃料分解的氣體，以及供油系中燃料的蒸發(fā)和滴漏。碳氫化合物(Hc)只有在高濃度的情況下才會對人體產(chǎn)生影響，它是光化學(xué)煙霧的重要組成成分。光化學(xué)煙霧是排氣中的HC和NOX排入大氣后在紫外線照射下進行光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的黃色煙霧。光化學(xué)煙霧具有明顯的刺激性，能刺激眼結(jié)膜，引起流淚并導(dǎo)致紅眼病，另外還具有損害植物、降低大氣能見度、損壞橡膠制品等危害；氮氧化合物(NOX)是在高溫條件下產(chǎn)生的有臭味的廢氣，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用。

汽車排出CO，是沒有毒的，但是它是產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要物質(zhì)。“溫室效應(yīng)”使地球表面的溫度上升，對全球氣候變化會產(chǎn)生巨大的影響，因此CO，已經(jīng)被列為重點排放控制的對象。

二、汽車上采用的新技術(shù)

1.缸內(nèi)汽油直接噴射技術(shù)。缸內(nèi)汽油直接噴射實現(xiàn)分層燃燒，不但可大幅降低CO、HC及NOx排放，而且還能提高燃油經(jīng)濟性。因此，三菱公司將其汽油直接噴射發(fā)動機定為全球環(huán)保發(fā)動機。

2.可變氣門正時技術(shù)?？勺儦忾T正時系統(tǒng)，氣門的開閉時間隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷而連續(xù)變化，可達到省油、怠速穩(wěn)定、提高轉(zhuǎn)矩、增大動力輸出及減少排氣污染的目的。

3.電腦控制的點火技術(shù)。電腦控制的點火系統(tǒng)提高了發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性，并使排氣中的CO、HC含量大為降低。

三、汽車排放控制技術(shù)

為了徹底解決排放向低排放、超低排放發(fā)展的問題，目前現(xiàn)代汽車主要采取了以下控制技術(shù)：

1.燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)(EVAP)。在汽車排出的HC中來自汽油蒸發(fā)的約占20％以上。在外界溫度升高時，燃油箱的汽油會加速蒸發(fā)，從燃油箱蓋和油箱通氣孔排入大氣。為此，有些發(fā)動機采用吸附法將汽油蒸汽吸附。待到發(fā)動機工作時，再將吸附的汽油蒸汽在負壓條件下解附，送入發(fā)動機燃燒室燃燒，這樣防止了汽油直接排放到大氣污染環(huán)境。基本的工作過程是：從燃油箱來的汽油蒸氣先通過活性炭濾毒器(又稱活性炭罐)吸附收集起來，當(dāng)發(fā)動機工作時，再從活性炭器中進入進氣歧管到燃燒室燃燒。

常用的有兩種形式：一種是不帶雙金屬真空轉(zhuǎn)換閥的EVAP系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)動機停車、怠速或低速時，從燃油箱來的HC在活性炭濾毒器被吸附，當(dāng)發(fā)動機在中速和高速時，又從活性炭濾毒器帶到進氣歧管。另一種是帶雙金屬真空轉(zhuǎn)換閥的EVAP系統(tǒng)，它的工作與冷卻液溫度有關(guān)，水溫低于35℃，HC在活性炭濾毒器被吸附；水溫高于65℃，又從活性炭濾毒器帶到進氣歧管。

2.廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)。發(fā)動機燃燒反應(yīng)生成的NOX的量，完全是由于參加燃燒的空氣中的N0和氧反應(yīng)的結(jié)果。廢氣中NOX的含量與燃燒反應(yīng)的溫度、時間和過量空氣系數(shù)有關(guān)，而且主要是由反應(yīng)溫度決定。降低燃燒反應(yīng)的溫度，廢氣中的NOX含量呈指數(shù)關(guān)系下降。

實驗證明：當(dāng)溫度下降到1700℃以下時，發(fā)動機排出的NOX含量幾乎為零；而在高速運行條件下，由于反應(yīng)時間短，NOX含量也少。

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)的基本原理是：將5％～20％的廢氣再引入進氣歧管，與新鮮混合氣一起進入燃燒室，使最高燃燒溫度下降，從而減少NOX的生成量。因此EGR閥相當(dāng)于在進、排氣管之間安裝了一個閥門，根據(jù)發(fā)動機不同工況，關(guān)閉或者引進不同量的廢氣。顯然，廢氣的引進會影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、起動、怠速穩(wěn)定性。

廢氣再循環(huán)和廢氣不再循環(huán)完全受發(fā)動機ECU的控制，只要出現(xiàn)下列信號，ECU就會發(fā)出切斷EGR的命令，廢氣不再循環(huán)：發(fā)動機冷卻液溫度低于55℃；減速過程(節(jié)氣門全關(guān))；怠速或小負荷工況(進氣量很小)；發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過4000rpm(高速大負荷)；發(fā)動機空擋運轉(zhuǎn)。

3.三元催化系統(tǒng)(TWC)。發(fā)動機排出廢氣含有的CO、HC、NOX有害物質(zhì)，可以利用三元催化器的作用將上述三種物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)，生成無害的物質(zhì)排放出去，極大地減少了環(huán)境污染。三元催化器是一塊整體的孔氧化鋁骨架，上面浸漬有鉑、鈀、銠等貴重金屬作為催化劑，表面包覆不銹鋼作為保護套。

廢氣通過催化劑時，再催化劑表面進行一系列的氧化和還原反應(yīng)。

CO+NOX+HCCO2+N2+H2O最終排到大氣都是無毒害的氣體。

在催化反應(yīng)的過程中，必須嚴格保證在α=1的很窄的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)。如果α>1，則CO氧化反應(yīng)的氧氣由廢氣供給，從而不能還原NOX。因此只能在ECU控制的燃油噴射系統(tǒng)和在氧傳感器提供廢氣中氧含量的信息，才能保證α=1的范圍。特別注意的是，由于上述反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以在過量HC和CO存在時，會使三元催化劑過熱而損壞。因此裝有三元催化器的汽車，怠速的運動時間不得超過20分鐘，同時鉛也會使催化劑中毒而失效，故不能使用含鉛的汽油。

四、制理汽車尾氣排放的措施

1.制定嚴格的排放標準。對日益嚴重的大氣污染，為確保人們有一個良好的生活環(huán)境和滿足人們對生活環(huán)境的要求，各地政府應(yīng)制定更為嚴格的排放標準。

2.開展無車日活動。據(jù)測算，如開展“無車日”活動一天，僅民用汽車可節(jié)約燃油3300萬升，可減少有害氣體排放約3000噸，數(shù)百人的生命和身體會幸免于交通事故傷害。

3.加大環(huán)保監(jiān)測力度。加大檢測力度，提高檢測人員的綜合素質(zhì)和職業(yè)道德，實現(xiàn)檢測與維修分家，進行道路抽檢，教育駕駛員及時做好汽車維護工作，另外加速不符合排放要求的汽車淘汰工作。

第6篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

為滿足學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型研究生以及交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)的需要，對我校研究生全校公選課“表面物理化學(xué)”進行了教學(xué)改革和實踐。建立了滿足研究生分類培養(yǎng)的課程內(nèi)容體系，基于不同類型研究生的學(xué)習(xí)需求和本科基礎(chǔ)來組織實施教學(xué)和考核，教學(xué)中注重教學(xué)與科研相結(jié)合、理論與實踐相統(tǒng)一，使課程適應(yīng)兩類研究生和交叉學(xué)科研究生人才培養(yǎng)的需要。

關(guān)鍵詞：

全校公選課；碩士研究生；表面物理化學(xué)；分類教學(xué)

2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(哈工大)開始在一級學(xué)科進行碩士研究生分類培養(yǎng)的改革試點工作[1,2]。2009年，哈工大化工學(xué)科開始實施碩士研究生培養(yǎng)模式改革，確定了學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型研究生培養(yǎng)方案，其中“表面物理化學(xué)”既是學(xué)術(shù)型研究生的學(xué)位課程，也是應(yīng)用型研究生的學(xué)位課程。同時由于表面、界面科學(xué)在化學(xué)、化工學(xué)科和其他交叉學(xué)科研究中作為共性的基礎(chǔ)理論支撐作用，“表面物理化學(xué)”在研究生院統(tǒng)一協(xié)調(diào)下確定為全校公選課，除化學(xué)、化工學(xué)科外，還服務(wù)于其他交叉學(xué)科研究生的培養(yǎng)。那么，“表面物理化學(xué)”成為全校公選課后，針對各種類型學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和研究生分類培養(yǎng)的需要，如何確定課程內(nèi)容體系？如何組織和實施教學(xué)？以及如何在教學(xué)過程中實現(xiàn)教學(xué)與科研、理論與實踐的有機結(jié)合？這些問題則成為“表面物理化學(xué)”課程建設(shè)和改革的關(guān)鍵。針對以上問題，我們基于“表面物理化學(xué)”課程特點，從學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型人才培養(yǎng)以及交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)的具體要求出發(fā)，進行了全校公選課“表面物理化學(xué)”分類教學(xué)改革和實踐。

1“表面物理化學(xué)”分類教學(xué)內(nèi)容體系的確立

表面科學(xué)因其學(xué)科交叉特色突出，越來越受到人們的重視。國內(nèi)外各理工科類高校一般都為研究生(材料、化學(xué)、化工學(xué)科居多)開設(shè)了表面科學(xué)類課程。從課程內(nèi)容看，主要是講授表面科學(xué)基本原理及應(yīng)用和表面科學(xué)分析方法，并有針對性地對表面科學(xué)不同應(yīng)用領(lǐng)域(如催化、納米材料等)進行深入介紹。各個學(xué)校講授的內(nèi)容側(cè)重各不相同，課程名稱也不一致。我?；W(xué)科從20世紀80年代起就為化學(xué)、化工學(xué)科研究生開設(shè)了“表面物理化學(xué)”課程，在長期的課程建設(shè)和發(fā)展過程中形成了適于(學(xué)術(shù)型)研究生培養(yǎng)的課程體系。

1.1分類教學(xué)的必要性

研究生分類培養(yǎng)是教育發(fā)展過程的必然選擇[3,4]，它涉及研究生培養(yǎng)的各個方面和環(huán)節(jié)，其中也包括課程內(nèi)容體系的確定及教學(xué)的組織和實施。雖然2009年制定的培養(yǎng)方案中“表面物理化學(xué)”作為全校公選課，供化學(xué)、化工學(xué)科以及其他交叉學(xué)科的研究生選修。但是，在開始的教學(xué)實施過程中仍然為各類學(xué)生集中上課。在教學(xué)過程中，注重表面物理化學(xué)原理的講授以強化基礎(chǔ)，還注重將基本原理與能源、材料、生物、環(huán)境等國際熱門領(lǐng)域和學(xué)術(shù)前沿相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生的科研思路和創(chuàng)新意識。在教學(xué)過程中，采用了多種教學(xué)方法(設(shè)立討論課、自學(xué)報告和課程作業(yè)等)，針對不同類型的研究生提出不同的學(xué)習(xí)要求：如學(xué)術(shù)型研究生在討論課中要求講述表面物理化學(xué)在當(dāng)今學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域的研究成果和進展，應(yīng)用型研究生要求講述表面物理化學(xué)基本原理在工程實際中的具體運用，而交叉學(xué)科的研究生則要求講述表面物理化學(xué)基本原理與本學(xué)科的交叉實例。在自學(xué)報告和課程作業(yè)方面也根據(jù)學(xué)生類型的不同而提出了不同的要求。這樣，一定程度上滿足了學(xué)生分類培養(yǎng)的要求。然而，從前期的教學(xué)實踐效果看，該課程教學(xué)中存在如下問題：(1)這種統(tǒng)一集中上課的教學(xué)模式，存在著教學(xué)追求全面性與不同類型研究生學(xué)習(xí)需求不同的矛盾，使得分類培養(yǎng)的針對性不強。(2)從學(xué)生反饋來看，學(xué)術(shù)型研究生認為表面物理化學(xué)基本原理的學(xué)習(xí)過于簡單，而交叉學(xué)科的研究生由于化學(xué)基礎(chǔ)薄弱而認為理論介紹難度過大，內(nèi)容偏多。這一問題還導(dǎo)致學(xué)生成績分布不合理，交叉學(xué)科學(xué)生選課的積極性不高。因此，“表面物理化學(xué)”課程切實的分類教學(xué)改革勢在必行。

1.2適應(yīng)分類教學(xué)的“表面物理化學(xué)”課程內(nèi)容體系的確立

“表面物理化學(xué)”分類教學(xué)要依據(jù)研究生培養(yǎng)目標所需要的知識結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌考慮本科已有的基礎(chǔ)和不同授課對象的需求。在研究生分類培養(yǎng)的新形勢下，“表面物理化學(xué)”課程作為全校公選課，在教學(xué)內(nèi)容上既要滿足化學(xué)、化工學(xué)科學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型這兩類人才培養(yǎng)模式的需要，又要滿足非化工學(xué)科研究生選修本課程的新需求。在教學(xué)過程中，既要滿足學(xué)術(shù)型研究生對表面/界面科學(xué)知識的深度和系統(tǒng)性的需求，又要滿足應(yīng)用型研究生將表/界面科學(xué)知識有效運用于工程實際的需求，還要使得其他交叉學(xué)科研究生能夠建立界面觀點、掌握表/界面基本原理并能運用于自身的科研工作中。此外，本課程還要為不同研究方向的研究生奠定理論基礎(chǔ)?；W(xué)科目前有9大具體研究方向(表面與界面化學(xué)，高分子復(fù)合與改性，化學(xué)電源，金屬電沉積與化學(xué)沉積，功能材料制備與性能，催化劑與催化反應(yīng)工程，生物合成與分離工程，生物分子工程，新能源化工)，涉及到能源、材料、生物、環(huán)境四大國際熱門領(lǐng)域和學(xué)術(shù)前沿。這些領(lǐng)域都需要從分子水平上研究材料、能源、生命中的相界面物理化學(xué)變化規(guī)律，這里涉及界面的共性知識和理論是本課程重要的內(nèi)容體系。因此，本課程以表面/界面的物理化學(xué)原理和規(guī)律為基礎(chǔ)，以界面科學(xué)及應(yīng)用新進展為前沿，以拓展科研思路與方法、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和能力為目標，把各具體學(xué)科研究方向要求的知識結(jié)構(gòu)細化為知識點，用知識點間的邏輯關(guān)系，協(xié)調(diào)界面物理化學(xué)原理、規(guī)律、應(yīng)用及前沿進展的內(nèi)容，進行分類教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建。本課程從化工學(xué)科9大研究方向中，凝練出3個共性的表面科學(xué)知識和理論方向，即表面熱力學(xué)基礎(chǔ)、固體表面與界面以及表面活性劑。在此基礎(chǔ)上，針對化學(xué)、化工學(xué)科的學(xué)術(shù)型研究生的需要，重點介紹固/液界面的電化學(xué)熱力學(xué)與電結(jié)晶過程中成核與長大的影響因素及潤濕規(guī)律等；針對化學(xué)、化工學(xué)科的應(yīng)用型研究生及食品、航天、材料等交叉學(xué)科的研究生，重點講授固體表面態(tài)和鍵合、表面層結(jié)構(gòu)性質(zhì)及表面改性技術(shù)，以及潤濕現(xiàn)象的應(yīng)用等內(nèi)容?；谏鲜鏊悸罚薷牧嘶W(xué)院的研究生培養(yǎng)方案，取消了原來的“固體表面與鍵合”課程，將其有關(guān)內(nèi)容納入“表面物理化學(xué)II”，作為應(yīng)用型研究生的學(xué)位課程及非化學(xué)、化工學(xué)科研究生的全校公選課；原“表面物理化學(xué)”改為“表面物理化學(xué)I”，作為學(xué)術(shù)型研究生的學(xué)位課。

2“表面物理化學(xué)”課程分類教學(xué)的組織和實施

在課堂教學(xué)組織與實施中，首要考慮的是學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型這兩類研究生培養(yǎng)目標的不同及交叉學(xué)科研究生的學(xué)習(xí)需求。“表面物理化學(xué)I”是針對化學(xué)、化工學(xué)科的學(xué)術(shù)型研究生開設(shè)，重點在于基本理論的深度理解和掌握。在教學(xué)過程中偏重于演繹法，從解釋表面現(xiàn)象開始，深入到基本原理的推導(dǎo)過程和基本規(guī)律的理論分析，注重知識體系的系統(tǒng)性和完整性；將表面科學(xué)的學(xué)術(shù)前沿與表面科學(xué)基本理論結(jié)合起來，提高學(xué)生對學(xué)術(shù)前沿中表面科學(xué)問題的認識深度；同時，在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的科研意識、科研興趣和科學(xué)思維習(xí)慣。“表面物理化學(xué)II”是針對化學(xué)、化工學(xué)科的應(yīng)用型研究生和交叉學(xué)科的研究生開設(shè)的。其教學(xué)過程中偏重于采用歸納法，從各類表面現(xiàn)象及工程實際應(yīng)用入手，在物理化學(xué)知識的基礎(chǔ)上介紹表面科學(xué)的基本知識和理論，注重基本理論與工程應(yīng)用實踐的結(jié)合，加強培養(yǎng)學(xué)生在工程應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)表面科學(xué)問題和運用表面科學(xué)原理的能力，突出表面科學(xué)原理在工程實際中的應(yīng)用創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新。其次，在教學(xué)過程中還要考慮研究生原本科階段的表面化學(xué)以及物理化學(xué)課程的知識基礎(chǔ)。我校化工學(xué)科為本科生開設(shè)了表面化學(xué)類課程“應(yīng)用表面化學(xué)與技術(shù)”，化學(xué)學(xué)科開設(shè)了“表面化學(xué)”，還有服務(wù)于全校本科生的創(chuàng)新研修課“應(yīng)用表面化學(xué)基礎(chǔ)”。但是化學(xué)、化工學(xué)科每年招收的碩士研究生有相當(dāng)一定比例的學(xué)生在本科階段沒有學(xué)過表面化學(xué)類課程，而交叉學(xué)科的研究生學(xué)習(xí)過此類課程的人數(shù)更少。為解決這一類研究生表面化學(xué)基礎(chǔ)薄弱的問題，我們建議有條件的學(xué)生選修相關(guān)的表面化學(xué)類本科生課程。另外，由于本課程對本科生的物理化學(xué)知識要求較高，因此針對沒有物理化學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生(主要是來自交叉學(xué)科的研究生)，要求課外自學(xué)由授課教師指定的相關(guān)內(nèi)容，或利用緒論課適當(dāng)補講相關(guān)內(nèi)容。再次，通過累加式考核的導(dǎo)向作用，細化各項考核的要求，加強不同類型研究生的分類培養(yǎng)。“表面物理化學(xué)I”針對學(xué)術(shù)型研究生對系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和學(xué)術(shù)前沿知識要求高的特點，確定考核內(nèi)容如下：閉卷考試，占60分，考核基本理論和原理等；討論課每名學(xué)生以PPT方式講述與本人課程相關(guān)的表面科學(xué)前沿問題，占20分；以理論推導(dǎo)和討論為主的開卷考試，占10分；以教材為藍本自學(xué)其中的第二章固體表面的自學(xué)報告，占10分。“表面物理化學(xué)II”針對應(yīng)用型研究生和交叉學(xué)科研究生注重理論與工程實際相結(jié)合的特點，采用如下考核方式：閉卷考試，占50分，考核基本理論和原理等；討論課每名學(xué)生以PPT方式講述表面科學(xué)問題或表面分析方法在工程實際的應(yīng)用，占20分；作業(yè)占20分，包括運用表面基本原理對某一表面現(xiàn)象和問題進行解釋和綜述某一固體材料表面或界面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)兩個方面；隨堂開卷測驗2次，共10分。

3通過教學(xué)與科研相結(jié)合、理論與實踐相統(tǒng)一，服務(wù)于兩類研究生人才培養(yǎng)

研究生的課程教學(xué)不僅是傳授基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，也是拓展科研思路與方法、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和能力的有效途徑。表面物理化學(xué)內(nèi)容的學(xué)科交叉特色突出，使得該課程具有教學(xué)與科研、理論與實踐相結(jié)合的優(yōu)勢。本課程在滿足教學(xué)基本要求的前提下，利用界面化學(xué)涉及面廣的特點，引導(dǎo)學(xué)術(shù)型研究生從界面的物理化學(xué)原理和規(guī)律走向?qū)W術(shù)前沿、應(yīng)用型研究生將表面化學(xué)基本理論應(yīng)用到工程實際，使“表面物理化學(xué)”課程教學(xué)有效地服務(wù)于研究生的分類培養(yǎng)。

3.1教學(xué)過程中注重教學(xué)與科研相結(jié)合

本課程在長期的建設(shè)和發(fā)展過程中形成了課程組，建立了適合于研究生培養(yǎng)，特別是學(xué)術(shù)型研究生培養(yǎng)的課程體系，在教學(xué)與科研相結(jié)合方面也進行了大量卓有成效的工作。本課程組的授課教師利用自身的科研優(yōu)勢，將自己與表面科學(xué)相關(guān)的研究成果運用于教學(xué)之中，啟發(fā)學(xué)生的科研思路、培養(yǎng)科研興趣；課程組成員的部分研究成果直接轉(zhuǎn)化為與課程內(nèi)容對應(yīng)的實驗項目，納入學(xué)院的研究生實驗平臺[5]之中，建立學(xué)院層面的“表面物理化學(xué)”課程實踐環(huán)節(jié)；此外，課程組教師在研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)上，服務(wù)于科研方向與表面科學(xué)密切相關(guān)的研究生導(dǎo)師，對研究生學(xué)位論文中與表面科學(xué)相關(guān)的內(nèi)容進行把關(guān)和理論指導(dǎo)，反饋于科研工作。

3.2加強理論與實踐相統(tǒng)一，強化應(yīng)用型研究生工程實踐能力培養(yǎng)

針對我國研究生人才培養(yǎng)和實際需求脫節(jié)的問題，2009年起教育部即宣布研究生培養(yǎng)將從過去的學(xué)術(shù)型為主轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用型為主，現(xiàn)在應(yīng)用型研究生招生比例逐年增加[6]。為提高我?；瘜W(xué)、化工學(xué)科應(yīng)用型研究生的工程實踐能力，化工學(xué)科在研究生院的支持下建立了校內(nèi)外實踐基地[7]，并與“表面物理化學(xué)II”有機結(jié)合起來，工程實踐活動成為課程的生動實例。如在課程組成員參與建立的“化工學(xué)科應(yīng)用型研究生校內(nèi)實踐基地”，研究生可以在生產(chǎn)線上進行鋰離子電池制造各個環(huán)節(jié)的實踐活動，包括材料合成、電極制備、電池組裝及電池性能檢測，全面系統(tǒng)地掌握鋰離子電池的制造技術(shù)，培養(yǎng)化工學(xué)科研究生的工程實踐能力，提高其對產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造的系統(tǒng)觀、全局觀，特別是使學(xué)生體會到了本課程的基本原理和規(guī)律在電池制備中的理論指導(dǎo)作用，真正做到了理論與實踐的統(tǒng)一。再如在化工學(xué)科的“上海山富數(shù)碼噴繪復(fù)合材料有限公司校外實踐基地”，研究生可以進行從膠水、涂料、涂布、貼合、分切，到產(chǎn)品包裝的一條龍生產(chǎn)實踐，使應(yīng)用型研究生能真實了解企業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)的基本過程，又深刻體會到界面問題的重要性。

4“表面物理化學(xué)”課程分類教學(xué)實踐效果

全校公選課“表面物理化學(xué)”課程的分類教學(xué)在我校研究生院支持下正式實施以來，本課程的學(xué)生成績分布更趨合理，學(xué)生選課情況和學(xué)習(xí)興趣都呈現(xiàn)了良性的發(fā)展態(tài)勢。從學(xué)習(xí)效果看，此前本課程閉卷考核中成績優(yōu)秀的學(xué)生都集中在化學(xué)、化工學(xué)科，并以學(xué)術(shù)型研究生居多；現(xiàn)在由于分類教學(xué)中基于不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，調(diào)整了教學(xué)內(nèi)容和考核要求，使得學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型研究生各出現(xiàn)一定比例的優(yōu)秀生，特別是來自交叉學(xué)科的研究生成績也出現(xiàn)了優(yōu)秀。其二，分類教學(xué)實施后，選“表面物理化學(xué)II”課的交叉學(xué)科研究生從航天、食品、材料學(xué)院又增加了機械、電子和能源等學(xué)院，表明分類教學(xué)法的實施符合交叉學(xué)科研究生對表面化學(xué)類課程的學(xué)習(xí)需求。因此，可以預(yù)期“表面物理化學(xué)”全校公選課會吸引更多的交叉學(xué)科研究生選課，選課波及面也會進一步加大。其三，由于課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與各類研究生的培養(yǎng)目標更為一致，從而使得研究生的學(xué)習(xí)興趣提高，學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識明顯增強。特別是課間學(xué)生找老師討論問題的現(xiàn)象明顯增多，既有對課堂上課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的討論，也有把自己課題方向中與表面科學(xué)相關(guān)的問題與授課教師交流。學(xué)生反饋結(jié)果表明，選修此課的研究生對“表面物理化學(xué)”分類教學(xué)普遍認可。另外，我院應(yīng)用型研究生在培養(yǎng)上增加了校內(nèi)外實踐基地的實踐與考核環(huán)節(jié)，從學(xué)生對校內(nèi)外實踐基地實踐活動的總結(jié)報告中可以發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分學(xué)生將表面科學(xué)問題與具體的工程實踐結(jié)合起來，將在“表面物理化學(xué)”課程中學(xué)習(xí)的知識原理直接運用到具體實踐之中。在教學(xué)過程中設(shè)置的討論課上，有一定比例的研究生將自己將要進行的碩士研究課題中的表面物理化學(xué)問題在課堂上與老師和同學(xué)直接交流，這樣授課教師可以直接進行理論指導(dǎo)，使教學(xué)更好地服務(wù)于研究生的學(xué)位論文工作。

5結(jié)束語

我國高校研究生階段人才培養(yǎng)的全校公選課一般為英語、數(shù)學(xué)或思想政治理論課等。而理論性較強的“表面物理化學(xué)”課程如何發(fā)揮其全校公選課的作用、有效地服務(wù)于研究生的分類培養(yǎng)，是“表面物理化學(xué)”課程建設(shè)的首要問題。哈工大化工學(xué)院“表面物理化學(xué)”課程組在我校研究生院和化工學(xué)院的支持下，對“表面物理化學(xué)”分類教學(xué)改革進行了有益的探索。但是要真正實現(xiàn)從原來單一地服務(wù)于學(xué)術(shù)型研究生培養(yǎng)到服務(wù)于學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型兩類研究生的分類培養(yǎng)，還需要進一步的理論研究和實踐。

作者：姚忠平 姜兆華 黃玉東 岳會敏 安茂忠 韓曉軍 尹鴿平 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院

參考文獻

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[3]阮平章.學(xué)位與研究生教育,2004,No.8,21.

[4]吳愛祥.中國高等教育,2013,No.18,58.

[5]丁雪梅,甄良,宋平,楊連茂,魏憲宇.學(xué)位與研究生教育,2009,No.11,13.

第7篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代免疫分析技術(shù);食品衛(wèi)生檢驗;應(yīng)用

食品衛(wèi)生檢驗是保證食品安全的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段，食品呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，加強對食品衛(wèi)生檢驗技術(shù)的研究具有十分現(xiàn)實的意義。 現(xiàn)代免疫分析技術(shù)概述

標記免疫分析技術(shù)就是用抗原體間特異反應(yīng)為基礎(chǔ)，結(jié)合各項定量分析信號對某種物質(zhì)進行定量或定性測定的一種技術(shù)，具有高特異性、強靈敏度等特點，被廣泛的應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)以及臨床中，并發(fā)揮了重要的作用。這種免疫分析技術(shù)的基本原理大致相同，根據(jù)標記物種類的不同，檢驗發(fā)出的信號也不同。目前這類檢測方法有很多種，目前得到廣泛應(yīng)用于推廣的主要包括以下幾種。

放射免疫分析：簡稱RIA，這種分析技術(shù)是將特異性免疫化學(xué)技術(shù)與放射性核素示蹤法相結(jié)合的技術(shù)，能夠?qū)σ磺谢钚晕镔|(zhì)進行測定。根據(jù)反應(yīng)試劑以及操作步驟的不同，可以將其分為雙抗體夾心法、經(jīng)典RIA法、生物素法、雙位點法、間接法。

熒光免疫分析技術(shù)：簡稱FIA。這種分析技術(shù)的原理就是將熒光素與抗原或抗體進行結(jié)合，在熒光顯微鏡下，標記的抗原或抗體就會發(fā)生熒光特異免疫現(xiàn)象。這種分析技術(shù)除了傳統(tǒng)的標記分析功能外，還具有一定的定位功能。

酶免疫檢測技術(shù)：簡稱EIA。這種分析技術(shù)是一種非放射性標記分析技術(shù)，將酶反應(yīng)以及免疫反應(yīng)的特點有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)了高效與專一的疊加。根據(jù)應(yīng)用目的的不同，可以將酶免疫分析技術(shù)分為非均相酶免疫檢測以及均相酶免疫檢測兩種，其中非均相檢測又可以分為液相與固相兩種。

發(fā)光免疫分析：簡稱CLIA。這種分析技術(shù)是在免疫反應(yīng)與發(fā)光反應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的，結(jié)合了發(fā)光反應(yīng)的靈敏度以及抗原反應(yīng)的特異性。根據(jù)分析的方式不同，能夠?qū)⑵浞譃榛瘜W(xué)、化學(xué)發(fā)光酶、生物這三種免疫分析法。

免疫電鏡分析：簡稱IEM。這種技術(shù)也成為免疫細胞化學(xué)技術(shù)，主要是用用顯微鏡等裝置，對抗原、抗體等反應(yīng)進行定位觀察與分析。這種分析技術(shù)與定量分析有很大的區(qū)別，同時具有分子級別的定位功能。

膠體金免疫標記分析：簡稱CGIA。這種技術(shù)就是在電鏡、光鏡下對抗體或抗原進行定位、定量分析，廣泛的應(yīng)用于生物或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并且使用相對簡單，適合于家庭、個人使用。 酶免疫分析技術(shù)在食品衛(wèi)生檢驗中的應(yīng)用

食品衛(wèi)生問題是眼下社會廣泛關(guān)注的焦點問題之一，與人們的生活息息相關(guān)?，F(xiàn)代免疫分析技術(shù)中，重點介紹酶免疫分析技術(shù)在食品衛(wèi)生檢驗中的應(yīng)用。

2.1 酶免疫分析技術(shù)優(yōu)點

酶免疫分析技術(shù)在食品衛(wèi)生檢驗中具有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）具有較高的靈敏度，能夠檢測出待測液中的微量抗原與抗體，并與之結(jié)合發(fā)生快速的催化反應(yīng);（2）酶免疫分析技術(shù)具有抗干擾能力強的優(yōu)點，能夠避免熒光物質(zhì)、有色物質(zhì)、結(jié)構(gòu)類物質(zhì)等對檢測物品的干擾。特別是對于食品來說，需要保證檢驗后的食品的有效性，因此該優(yōu)點使其用于食品衛(wèi)生檢測的重要原因。（3）這種分析方法應(yīng)用于食品衛(wèi)生檢驗中操作步驟較少，降低了食品檢驗的難度，提高了檢驗的效率;（4）這種檢測分析技術(shù)進行食品檢驗中不需要使用揮發(fā)性的有機溶劑，操作十分安全，有效的降低了對環(huán)境的污染。（5）酶免疫分析技術(shù)對檢驗場地與設(shè)備儀器的要求不高。

2.2 食品衛(wèi)生檢驗中酶免疫分析技術(shù)的具體應(yīng)用

酶免疫檢測分析技術(shù)在食品衛(wèi)生檢驗中，具體應(yīng)用在以下幾個方面：

對食品送農(nóng)藥殘留的檢驗：由于在食品形成的環(huán)節(jié)中，農(nóng)藥大量的使用，造成農(nóng)藥殘留問題在食品衛(wèi)生中日漸突出，主要的農(nóng)藥種類包括殺蟲劑以及除草劑兩種。隨著科技的發(fā)展，酶免疫技術(shù)得到了長足的發(fā)展，越來越多的農(nóng)藥建立了酶聯(lián)免疫吸附檢測方法。其中在除草劑農(nóng)藥方面，有有機磷的殺螟松，甲氟磷酸異己酶;屬有機氯的2，4一D，草不綠、DDT等，殺蟲劑方面如除蟲菊酯、多菌是、克菌丹、西瑪津均有酶聯(lián)免疫方法的報道.有的已有商品化的測試盒供應(yīng)。

對食品中生物堿、毒素等的檢驗：針對可卡因、海洛因、嗎啡等，建立了酶聯(lián)免疫吸附檢驗方法，國內(nèi)一些地區(qū)甚至存在用于檢測嗎啡的膠體金試紙。一些飯店為了招攬更多的顧客，甚至在食品中加入罌粟殼，其中以火鍋、湯料等為主，公安部以及相關(guān)部門建立了針對性的酶聯(lián)免疫吸附檢測方法，也研制出了具體的檢驗試紙，檢驗試紙的商品化也即將面世。

對食品中激素、抗生素等殘留的檢驗：一些肉質(zhì)品、奶制品中由于飼養(yǎng)過程中飼料中添加劑或直接有添加劑加入成品，導(dǎo)致食品中存在激素以及抗生素殘留，對食品衛(wèi)生造成很大的危害。對此，我國相繼建立了針對性的酶聯(lián)免疫吸附檢驗方法。

另外，酶聯(lián)免疫吸附檢測法還用于對食品中一些毒素的檢驗，包括動物毒素（海豚毒素等）、藻類毒素、貝類毒素等。 總結(jié)

食品安全問題一直是社會關(guān)注的焦點問題，三聚氰胺、蘇丹紅、瘦肉精等食品安全事件使得人們對食品衛(wèi)生的關(guān)注程度進一步升級。免疫分析技術(shù)在食品衛(wèi)生檢驗中的應(yīng)用，能夠快速有效的對食品進行安全檢驗，得出定量的檢測結(jié)果，確保食品的安全，為人們創(chuàng)造一個安全放心的食品衛(wèi)生環(huán)境。

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第8篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：木質(zhì)素；生物質(zhì)；綜合利用；分離

中圖分類號：S562；O69 文獻標識碼：A 文章編號：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

木質(zhì)素是由苯丙烷單元通過醚鍵（-O-）和碳-碳鍵（C-C）連接而成的天然芳香族高分子化合物[1]。木質(zhì)素是產(chǎn)量僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)，當(dāng)前生物圈內(nèi)木質(zhì)素的存量為300億t，每年再生產(chǎn)量為200億t[2]。木質(zhì)素是惟一可再生的大宗芳香族化合物。雖然當(dāng)前石油和煤炭的價格跳水，但是它們的儲量銳減與需求激增的趨勢未變，而大量使用石油煤炭所引發(fā)的生態(tài)破壞、環(huán)境污染、氣候異常等問題也日益嚴重。而木質(zhì)素具有碳中性、環(huán)境友好、可大量再生等優(yōu)勢，因而，木質(zhì)素是最有希望在將來替代石油煤炭的芳香化合物[3]。

木質(zhì)素主要存在于木本、禾本科植物的莖桿中，以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為例，中國每年產(chǎn)量達到7億t，富含木質(zhì)素約2億t。中國是世界最大產(chǎn)棉國，每年副產(chǎn)棉稈約3 000萬t，新疆是最大產(chǎn)棉區(qū)，每年產(chǎn)棉稈約1 000萬t[4]。因棉稈的質(zhì)地堅硬、營養(yǎng)成分少，目前大部分都沒有得到合理利用，造成了環(huán)境污染和資源浪費等問題。棉桿的主要成分是纖維素（45%）、木質(zhì)素（25%）、半纖維素（20%）[5]，因此高效綠色分離三素，是實現(xiàn)棉稈資源綜合利用的基礎(chǔ)。木質(zhì)素是連接纖維素、半纖維素的“膠黏劑”，且其性質(zhì)較為穩(wěn)定，又成為分離三素過程的瓶頸。20世紀70年代以來，中國在棉稈制漿方面有較多的研究成果，采用的方法包括硫酸鹽-蒽醌（A-Q）法[6]，中性亞硫酸鹽法[7]、亞銨法[8]等。因這些方法伴有大量高污染、難處理的“黑液”，未被廣泛和持續(xù)應(yīng)用。近年來，又有化學(xué)機械制漿[9]、生物制漿[10]等新的方法被報道，但未見上述方法對棉稈中木質(zhì)素的性質(zhì)變化進行研究。近年來，有機溶劑提取木質(zhì)素的方法以其溶劑可回收、污染小等優(yōu)點受到了廣泛的重視[11-14]。其中1，4-丁二醇法具有成本低、溶劑可回收循環(huán)利用，基本上無廢液排放等特點[15，16]，并且此方法得到的木質(zhì)素產(chǎn)品相對于堿法制漿的產(chǎn)品而言，具有灰分含量低、相對分子質(zhì)量較為均一、化學(xué)活性高、可直接應(yīng)用于精細化學(xué)品的合成[17-19]等優(yōu)點。

因此，本研究對1，4-丁二醇分離棉稈木質(zhì)素進行初步研究，以木質(zhì)素的產(chǎn)率為技術(shù)指標，探索反應(yīng)條件與木質(zhì)素分離程度間的規(guī)律和特點。通過優(yōu)化條件，得到了接近理論產(chǎn)率的木質(zhì)素產(chǎn)品。研究結(jié)果實現(xiàn)了棉稈木質(zhì)素的高效綠色分離，為棉稈的資源化利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于解決棉稈的污染和浪費問題。

1 材料與方法

1.1 材料

棉稈取自新疆昌吉市榆樹溝鎮(zhèn)，對應(yīng)棉花品種為早26提高系998，使用前粉碎至50目。1，4-丁二醇、無水乙醇、苯、濃硝酸、濃硫酸等藥品均為分析純（天津化玻公司）。

紫外-可見分光光度計（Shimadzu，UV2550）；傅里葉變換紅外光譜儀（Shimadzu，IRAffinity-1）；核磁共振波譜儀（Bruker，AVII400）。

1.2 方法

1.2.1 棉稈各組分的含量測定方法 棉稈中木質(zhì)素、纖維素、灰分等組分的測定方法分別參照酸性纖維洗滌法（ADF法）、硝酸乙醇法、GB50094-85等進行。

1.2.2 棉稈中木質(zhì)素的提取方法 用電子天平準確稱取干燥后的棉稈粉末，置于50 mL水熱釜內(nèi)，加入一定濃度的1，4-丁二醇后加熱升溫至180～210 ℃，并保持恒溫1.0～4.0 h。到達預(yù)定時間后，冷卻降溫到60 ℃。取出反應(yīng)后的混合物進行減壓抽濾，并用60 ℃的1，4-丁二醇洗滌3次，將殘渣與木質(zhì)素溶液分離，收集洗滌殘渣產(chǎn)生的廢水作為沉降木質(zhì)素用水，將木質(zhì)素的原液在室溫下加入3倍體積的水?dāng)嚢?，木質(zhì)素沉淀析出，經(jīng)減壓抽濾后室溫干燥18 h，得到深棕色的木質(zhì)素產(chǎn)品。

1.2.3 木質(zhì)素的純化方法 采用二氯乙烷-乙醇法（簡稱D-E法）。將提取的木質(zhì)素溶于二氯乙烷∶乙醇（體積比）為2∶1的溶液中，攪拌，靜置后離心。取上清液加入一定量無水乙醚中，有沉淀析出。離心后取出固體并烘干，即可得到純化的木質(zhì)素固體。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈中各成分含量的測定

根據(jù)“1.2.2”的方法對棉稈各組分的含量進行測定，結(jié)果如表1所示。由表1可知，樣品中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素總含量85.55%，灰分及苯醇抽提物含量只占8.81%，說明棉稈是一種理想的生物質(zhì)資源。木質(zhì)素的含量達到22.68%，為木質(zhì)素的分離提供了基礎(chǔ)[20]。

2.2 各因素對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響

影響木質(zhì)素產(chǎn)率的因素主要有反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、1，4-丁二醇體積分數(shù)、固液比、催化劑用量等因素。因為影響因素較多，為快速準確地得到試驗結(jié)果，首先采取了正交試驗的方法對自催化提取進行試驗優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，研究了硫酸作為催化劑對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響。

2.2.1 溶劑自催化法提取棉稈木質(zhì)素的研究 有機溶劑自催化法提取棉稈的木質(zhì)素，基本原理是有機溶劑在一定的溫度和壓力條件下，主要對木質(zhì)素中的α-芳基醚和β-芳基醚鍵進行催化裂解[20]，形成木質(zhì)素小分子，并將其溶解從而與纖維素分離。半纖維素的乙?；谒膺^程中形成乙酸，加快木質(zhì)素醚鍵的斷裂，即自催化效應(yīng)。對反應(yīng)后的濾液加入一定體積的水，木質(zhì)素膠體溶液穩(wěn)定性被破壞，木質(zhì)素形成沉淀析出。

影響有機溶劑自催化法的主要因素有反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶劑濃度、固液比（g∶mL，下同）等。正交試驗因素與水平見表2。正交試驗結(jié)果見表3。由表3可知，第5組效果最好，其木質(zhì)素產(chǎn)率為42.60%。具體的條件是200 ℃下提取3 h，固液比為1∶8，1，4-丁二醇體積分數(shù)為70%。通過極差分析的方法可知，對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響大小依次為：固液比>提取溫度>提取時間>1，4-丁二醇體積分數(shù)。由正交試驗的效應(yīng)曲線分析可知，增加反應(yīng)溫度和固液比有利于木質(zhì)素產(chǎn)率的提高。因此在后續(xù)的優(yōu)化試驗中，將反應(yīng)溫度提高到水解釜內(nèi)襯能夠承受的最高溫度210 ℃，將固液比提高到1∶12，1，4-丁二醇體積分數(shù)提高到80%。在此條件下提取木質(zhì)素3 h，木質(zhì)素的產(chǎn)率提高到70.4%。

2.2.2 催化劑用量對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響 以上自催化反應(yīng)的結(jié)果表明，木質(zhì)素的最大產(chǎn)率為70.4%，為了進一步提高木質(zhì)素的產(chǎn)率，本研究選取36%的硫酸作為催化劑，考察其對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響。

在溫度210 ℃，固液比1∶12，1，4-丁二醇體積分數(shù)80%，提取3 h的前提下，固定溶劑的使用量為32.0 mL，添加36%的硫酸作為催化劑，考察其加入量分別為0.05、0.10、0.30、0.60、0.70 mL對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響（圖1）。由圖1可知，以36%硫酸作為催化劑時，隨著其用量地增加，木質(zhì)素的產(chǎn)率呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，且當(dāng)其用量達到0.70 mL（占溶劑體積的2.2%）時，木質(zhì)素的產(chǎn)率達到97.4%，接近于理論產(chǎn)率。當(dāng)催化劑用量超過0.70 mL后，棉稈的炭化現(xiàn)象比較明顯。造成上述現(xiàn)象的原因是因為棉稈木質(zhì)素大分子醚鍵的斷裂需要H+的催化，加入硫酸可以提供更多的H+，進而提高木質(zhì)素的產(chǎn)率。但是H+過量，會引起木質(zhì)素小分子及其衍生物的縮聚、炭化等副反應(yīng)，造成木質(zhì)素的產(chǎn)率下降。

2.3 溶劑的重復(fù)使用研究

鑒于本方法使用的80% 1，4-丁二醇黏度大，沸點高，不易進行純化再利用，本研究對該溶劑的重復(fù)使用進行了初步的研究，即將最優(yōu)條件下得到的80% 1，4-丁二醇溶劑直接用于下一次木質(zhì)素的分離，而不是加水沉淀木質(zhì)素（引起1，4-丁二醇的體積分數(shù)下降）。試驗結(jié)果如表4所示。由表4可知，80% 1，4-丁二醇在前3次的重復(fù)提取棉稈木質(zhì)素過程中，木質(zhì)素的產(chǎn)率沒有明顯的下降，但是當(dāng)重復(fù)利用第4次以后，木質(zhì)素的產(chǎn)率開始銳減，表明該溶劑對木質(zhì)素的溶解達到飽和。因此，80%的1，4-丁二醇溶液可以重復(fù)利用4次而保持穩(wěn)定的木質(zhì)素分離程度。

2.4 木質(zhì)素產(chǎn)品的表征

將加入催化劑條件下得到最大產(chǎn)率的木質(zhì)素分別進行紫外、紅外測試，所得結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖2可知，木質(zhì)素的最大紫外吸收峰出現(xiàn)在205 nm附近，為共軛烯鍵的吸收帶，在260 nm附近出現(xiàn)了一個弱的吸收峰，為芳香環(huán)的吸收峰。以上結(jié)果符合文獻報道的木質(zhì)素的特征吸收峰[21]。木質(zhì)素的紅外吸收光譜見圖3，對應(yīng)的吸收峰歸屬分析見表5。由表5可知，木質(zhì)素是芳香環(huán)及其衍生物構(gòu)成的大分子，含有甲基、酚羥基、醇羥基和羰基等化學(xué)活性基團。圖3中波數(shù)1 721 cm-1處為羰基中的C=O伸縮振動峰，1 627、1 533 cm-1處為芳香環(huán)的骨架振動峰，1 215 cm-1處為芳香環(huán)上C-O伸縮振動峰，1 009 cm-1處為芳香環(huán)上C-H面內(nèi)彎曲振動峰。以上各峰均為木質(zhì)素的特征峰[21]。結(jié)合圖2的紫外吸收光譜，可以證明1，4-丁二醇法從棉稈中提取的產(chǎn)品為木質(zhì)素。由圖4可知，1，4-丁二醇木質(zhì)素在化學(xué)位移7.13～6.69處有明顯的吸收峰，表明其含有苯環(huán)，其中1，4-丁二醇木質(zhì)素在6.941～6.750處的峰值大，表明該化合物中紫丁香基結(jié)構(gòu)單元較多。在5.332～5.304處有側(cè)鏈上氫的峰，4.017～3.975處有α、β、γ上氫的峰。3.336～3.397處有一苯環(huán)上的氧甲基多峰是側(cè)鏈上的Hα、Hβ、Hγ，苯環(huán)羥基峰則在4.377處。3.751～3.727處有芳香族的氧甲基峰，1.426～1.411為脂肪族氫峰，其峰值較大，故含量較多，溶劑的五重峰為2.504～2.490[22]。

3 結(jié)論

以棉稈為原料，采用1，4-丁二醇作為溶劑，采用正交試驗的方法，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、1，4-丁二醇體積分數(shù)、固液比、催化劑用量等因素對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響。試驗結(jié)果表明，自催化條件下，各因素對木質(zhì)素產(chǎn)率的影響大小依次為：固液比>提取溫度>提取時間>1，4-丁二醇體積分數(shù)。最優(yōu)條件為反應(yīng)溫度210 ℃、反應(yīng)時間3 h、1，4-丁二醇體積分數(shù)80%、固液比1∶12，此時木質(zhì)素的產(chǎn)率達到最大值70.4%。36%的硫酸作為催化劑可明顯提高木質(zhì)素的產(chǎn)率，當(dāng)其用量為溶液體積的2.2%時，木質(zhì)素的產(chǎn)率達到最大值97.4%。80%的1，4-丁二醇不經(jīng)稀釋進行木質(zhì)素的重復(fù)提取試驗，結(jié)果表明共重復(fù)利用4次后，溶劑對棉稈木質(zhì)素的溶解能力達到極限。采用紫外光譜、紅外光譜和氫核磁等方法對最優(yōu)條件下得到最大產(chǎn)率的木質(zhì)素進行表征，表明各譜圖上的特征峰與木質(zhì)素的特征峰相吻合。

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第9篇：催化反應(yīng)的基本原理范文

關(guān)鍵詞：光化學(xué)； 比色； 傳感器； 陣列； 評述

1引言

化學(xué)傳感器是一種能夠通過某物理或化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對特定分析目標物產(chǎn)生響應(yīng)，從而進行定性或定量測定的裝置[1]?；瘜W(xué)傳感器通常由識別元件和換能器兩部分構(gòu)成。識別元件與待分析物相互作用，其物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；換能器將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化和放大，生成與待分析物特性有關(guān)的可定性或定量處理的電信號或者光信號（顏色、發(fā)光等）[2]。目前，化學(xué)傳感器已成為化學(xué)分析和檢測的重要手段。傳統(tǒng)的化學(xué)傳感器根據(jù)“鎖鑰模式”進行設(shè)計，選擇性好，對某些物質(zhì)的檢測非常有效，然而其設(shè)計也存在一定的缺陷，如對于生物大分子和結(jié)構(gòu)不明確的待分析物的傳感器設(shè)計存在困難，同時，針對復(fù)雜混合物中的每種成分均設(shè)計具有專一選擇性的特定傳感單元顯得費時且不切實際[3]。陣列式傳感器的設(shè)計模仿哺乳動物嗅覺和味覺系統(tǒng)，利用多個傳感器單元組成陣列，通過傳感器陣列與分析物之間的交叉響應(yīng)，可以實現(xiàn)對多種物質(zhì)及復(fù)雜混合物進行響應(yīng)和檢測。傳感器陣列中的傳感單元對分析物不必具有高度的選擇性，某些傳感單元對特定分析物有一定程度的選擇性，同時對其它分析物也有響應(yīng)，即每個傳感單元對不同的組分具有不同的響應(yīng)能力；利用傳感器陣列對各種分析物整體響應(yīng)之間的差別，實現(xiàn)對待分析物的區(qū)分。在光學(xué)、電化學(xué)、色譜等諸多的檢測手段中，光化學(xué)顯色方法無疑是最便捷有效的度量手段。結(jié)合光化學(xué)比色方法，光化學(xué)比色傳感器陣列以其價格低廉、方法簡單、響應(yīng)快速、信息量大等優(yōu)點，得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文綜述了近年來光化學(xué)比色傳感器陣列在氣體、生物樣品、離子和小分子，以及混合物檢測方面的應(yīng)用， 對它的原理和性能進行了討論， 并對其研究和應(yīng)用前景進行了展望。

2光化學(xué)比色傳感器陣列的基本原理

光化學(xué)比色傳感器陣列是利用傳感器單元的光學(xué)性質(zhì)（吸收或發(fā)射）改變作為輸出信號，實現(xiàn)對待分析物的檢測。通常采用光譜或成像兩種方式對光化學(xué)比色傳感器陣列中所有傳感單元的光學(xué)信號進行同時采集。如圖1所示，采用紫外可見分光光度計采集光譜時，通常要配備流通池和液體控制裝置，該方式根據(jù)紫外可見光譜的遷移或吸收強度的變化，實現(xiàn)對待分析物的檢測和區(qū)分；換用平板掃描儀成像后，比色傳感單元顏色的改變經(jīng)過去卷積，灰度值經(jīng)平均化和積分處理后，其結(jié)果更直觀和便于定量化。加入不同的待分析物后，多個傳感單元的顏色變化組合成具有各自獨特模式的陣列，稱之為待分析物特有的“指紋圖譜”，從而實現(xiàn)對不同物質(zhì)的鑒別和區(qū)分。光譜技術(shù)由于可以獲得完整的光譜，包含信息量大而具有很大優(yōu)勢，但需要比較復(fù)雜的儀器設(shè)備，對每個傳感單元數(shù)據(jù)的采集也需要一定時間。與光譜技術(shù)相比，成像技術(shù)具有在給定視野范圍內(nèi)能夠檢測多個傳感器單元的優(yōu)點[2]，且成像技術(shù)比光譜技術(shù)簡單，無需特殊的儀器，成像設(shè)備可以是數(shù)碼照相機、平板掃描儀[4]、手機攝像頭[5]等，但成像技術(shù)通常獲得的是紅、綠、藍（R， G， B）3個或紅、黃、綠、藍（R， Y， G， B）4個通道的光譜信息，不如光譜技術(shù)獲得的信息量大[2]。

3光化學(xué)比色傳感器陣列的應(yīng)用

3.1氣體的檢測

2000年，Rakon等提出通過模擬哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)來構(gòu)建比色傳感器陣列，利用卟啉類化合物與揮發(fā)性有機氣體（VOCs）反應(yīng)前后的顏色變化對氣體進行定性定量分析，為氣體的檢測提供了一種全新的思路[4]。目前，比色傳感器陣列已被廣泛應(yīng)用于氣體的檢測，如工業(yè)有毒氣體[6～10]，揮發(fā)性有機物[11～15]，胺類[16～18]，甲醛[19]，爆炸物[20]，硫化氫[21]等。

Lim等[6]構(gòu)建了一個以36種指示劑為基本單元的可拋型傳感器陣列，用于19種工業(yè)有毒氣體的檢測。分析物與傳感器陣列反應(yīng)前后的顏色改變形成了對應(yīng)于該分析物獨有的分子指紋圖譜，通過比較指紋圖譜來實現(xiàn)不同種類工業(yè)有毒氣體的定性和定量檢測。在危險濃度下，2 min內(nèi)即可實現(xiàn)對19種工業(yè)有毒氣體的有效區(qū)分，準確率達100%。與傳統(tǒng)采用范德華力及物理吸附等弱作用力為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體金屬氧化物電子鼻技術(shù)相比，該傳感器利用的是指示劑與分析物間強的化學(xué)鍵相互作用，雖犧牲了傳感器的長效檢測能力，但卻極大地提升了傳感器的檢測靈敏度，其對工業(yè)有毒氣體的檢出限大多低于允許排放濃度（通常為10_Symbolm@@_9量級）。由于指示劑用量極小，可拋型的設(shè)計在大大提升傳感器檢測靈敏度的同時，卻并沒有增加其使用成本，為氣體傳感器的設(shè)計提供了一條新的思路。

Feng等[19]將酸堿指示劑添加到氨基封端的聚合物中構(gòu)建光化學(xué)比色傳感器陣列用于甲醛的快速檢測。利用胺與甲醛反應(yīng)后堿性減弱的原理，引起固載在一起的酸堿指示劑顏色發(fā)生改變，用來檢測甲醛。商品化的甲醛比色檢測往往需要30 min， 甚至更長的時間，該傳感器陣列可以在1 min內(nèi)對濃度在0.250～20 gm3范圍內(nèi)的甲醛進行快速檢測，10 min內(nèi)檢測到濃度為50 mgm3甲醛。對乙醛、丁醛、苯甲醛均無響應(yīng)，具有很好的選擇性。

環(huán)形構(gòu)造的三過氧化三丙酮（TATP）是一種威力巨大的爆炸物，因其穩(wěn)定性差，在工業(yè)和軍事上均無實際應(yīng)用，但由于其制備異常簡單，近些年來被多次使用。由于TATP自身無紫外吸收和熒光，也不容易被離子化，直接檢測相對比較困難。Lin等[20]構(gòu)建了一種簡單的比色傳感器陣列，成功應(yīng)用于TATP的快速檢測。采用酸性固體催化劑將TATP分解，分解后產(chǎn)生的H2O2氣體氧化傳感器陣列中還原性的指示劑而使對應(yīng)的指示劑變色，根據(jù)傳感器陣列顏色改變形成的指紋圖譜，實現(xiàn)對TATP的定性和半定量檢測，檢出限可達到2 mgm3。該傳感器對TATP的選擇性很好，不受濕度、揮發(fā)性有機氣體等常見潛在干擾物的影響，也能將TATP與過氧化氫、過氧乙酸等氧化劑區(qū)分開來。

3.2生物樣品的檢測

生物系統(tǒng)中無機鹽、蛋白質(zhì)、細胞等的檢測對于疾病的預(yù)防和診斷尤為重要。目前，檢測生物樣品的方法很多，如酶聯(lián)免疫法、蛋白質(zhì)組學(xué)、質(zhì)譜、毛細管電泳、適配體傳感器等[22～26]。光化學(xué)比色傳感器陣列以其方法簡單、檢測快速的優(yōu)點在生物樣品的檢測方面得到廣泛應(yīng)用（表1）。

3.2.1核苷酸的檢測

核苷酸在許多生理反應(yīng)及代謝過程中起著非常重要的作用，利用傳感器陣列檢測核苷酸具有簡單快速的優(yōu)點。2003年，McCleskey等[37]用指示劑取代法，采用3×4的傳感器陣列對20 mmolL的三磷酸腺苷（ATP）， 三磷酸鳥苷（GTP）和單磷酸腺苷（AMP）進行區(qū)分。2007年，Buryak等[29]采用多元指示劑取代法對1 mmolL ATP、GTP、二磷酸腺苷（ADP），AMP，環(huán)磷酸腺苷（cAMP），焦磷酸（PPi）進行了鑒別。該實驗在50 mmolL磷酸鹽緩沖溶液中進行，傳感器對核苷酸和PPi體現(xiàn)出了很好的選擇性。多元指示劑取代法的原理如圖2所示[29]，多個指示劑分別與受體結(jié)合形成對應(yīng)傳感器單元，加入不同分析物后，根據(jù)與受體親和能力的大小，分析物對指示劑進行一定程度的取代，從而產(chǎn)生不同的光譜變化。傳統(tǒng)的含單個指示劑受體的指示劑取代法，當(dāng)分析物與受體的親和性比指示劑與受體的親和性高很多或者低很多時，將給出相同的全部取代或完全不取代指示劑的信號；而對于多元取代法，分析物對不同傳感器單元的親和能力不相同，從而產(chǎn)生不同程度取代的信號，這樣分析的動態(tài)范圍就被擴大。值得注意的是，多元取代法中，各個指示劑受體的光譜變化需發(fā)生在不同的光譜區(qū)域。多元指示劑取代法與傳感器陣列在概念和原理上有密切的關(guān)系，所不同的是，傳感器陣列中的各個傳感單元是相互獨立的，而多元指示劑取代法中各個傳感器單元因為交換作用而相互關(guān)聯(lián)。

3.2.2氨基酸、多肽及蛋白質(zhì)的檢測光化學(xué)比色傳感器陣列用于氨基酸及蛋白質(zhì)的檢測已有大量研究報道。Severin研究組[27]通過構(gòu)建指示劑取代傳感器陣列，與紫外可見光譜結(jié)合成功地區(qū)分了20種天然氨基酸。該研究組還利用指示劑復(fù)合物的動態(tài)組合庫分別對二肽和三肽進行了區(qū)分[28，39]。動態(tài)組合庫中各組分通過可逆反應(yīng)和相互作用連接，外界的刺激會影響庫的組成。加入目標分子后，目標分子選擇性地與庫中成分反應(yīng)，達到新的平衡。將動態(tài)組合庫應(yīng)用于多肽的檢測中[39]，金屬和染色劑復(fù)合物組成動態(tài)組合庫，加入多肽后，與庫中組分發(fā)生配體交換反應(yīng)，動態(tài)組合庫重新平衡，導(dǎo)致紫外可見光譜發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對多肽的檢測。FolmerAndersen等[40]通過指示劑取代法實現(xiàn)了對10種濃度為200 olL 對映異構(gòu)和結(jié)構(gòu)相似氨基酸的區(qū)分?；舻と旱萚41]以卟啉及其衍生物、酸堿指示劑以及極性指示劑為傳感元件，構(gòu)建了一種6×6的傳感陣列，可以在5 min內(nèi)對濃度為375 olL的10種氨基酸進行鑒別。Miranda等[33]構(gòu)建了一種以酶納米金粒子為傳感單元的傳感器陣列，通過酶催化反應(yīng)使傳感器的靈敏度大大提高。該傳感器成功地對濃度為1 nmolL，基質(zhì)為磷酸鹽緩沖溶液或脫鹽人體尿液的蛋白質(zhì)進行了鑒別區(qū)分，靈敏度遠高于當(dāng)前其它傳感器檢測方法。

3.2.3糖類的檢測糖類作為維持生命活動的重要營養(yǎng)物質(zhì)，既是主要能源物質(zhì)，又與多種生物分子如蛋白質(zhì)存在特異性識別作用，對眾多生理過程起著至關(guān)重要的作用，因此對糖類物質(zhì)的檢測非常重要。硼酸因其可與二羥基化合物進行可逆、高親和性的結(jié)合，而被廣泛用作糖分子識別單元。Schiller等[30]構(gòu)建了以添加有芐基紫羅堿的二硼酸陽離子為基本單元的傳感器陣列，二硼酸陽離子與陰離子熒光染料8羥基芘1，3，6三磺酸鈉（HTPS）形成復(fù)合物，電子從HTPS轉(zhuǎn)移到二硼酸陽離子，導(dǎo)致HTPS熒光強度降低。當(dāng)加入糖類后，糖類與硼酸形成硼酸酯，部分中和了二硼酸陽離子的正電荷，降低了對HTPS的熒光猝滅效應(yīng)，從而使熒光增強。該傳感器對濃度為2 mmolL的12種糖類進行了區(qū)分，準確率達100%。Lim等[32]將pH指示劑固定于溶膠凝膠基質(zhì)上，構(gòu)建了一種簡單、廉價的傳感器陣列，對15種單糖、二糖和人工甜味劑進行了區(qū)分。在生理酸度下，對葡萄糖的檢測限低于1 mmolL。在檢測糖類方面，硼酸也存在一些局限，如與某些糖類結(jié)合常數(shù)很小或不結(jié)合，Janowski等[42]構(gòu)建了一種含Pd2+指示劑復(fù)合物的傳感器用于糖類的檢測。根據(jù)指示劑取代的原理，在中性條件下35 mmolL的10種糖類進行了區(qū)分。

3.2.4細胞、細菌及疾病的檢測將光化學(xué)比色傳感器陣列用于細胞、細菌及疾病的檢測也有一定的研究。Bajaj等[43]利用對苯撐乙炔共軛熒光聚合物構(gòu)建傳感器陣列，對不同種類的癌細胞及等基因的正常細胞、癌細胞和轉(zhuǎn)移細胞進行了鑒別。共軛聚合物具有分子導(dǎo)線效應(yīng)，可以增強信號的產(chǎn)生，并且，共軛聚合物鏈具有多個識別位點與分析物作用，既可以增加結(jié)合效率，又可以提高對特定分析物的選擇性。2011年，Kong等[35]根據(jù)熱化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象構(gòu)建了由6種納米催化材料組成的傳感器陣列，實現(xiàn)了12種人類細胞的鑒別。熱化學(xué)發(fā)光是指當(dāng)有機物或生物物質(zhì)被熱氧化而產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的現(xiàn)象。催化放大反應(yīng)可以明顯增強熱化學(xué)發(fā)光強度而使靈敏度提高，并且檢測結(jié)束后可以通過在更高溫度下使分析物降解而達到傳感材料再次利用的目的。Carey等[34]構(gòu)建了含36種指示劑的傳感器陣列，通過檢測細菌生長產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物，實現(xiàn)了對10種細菌的鑒別。Mazzone等[44，45] 采用比色傳感器陣列，通過檢測人呼出的氣體，借助于癌癥細胞與正常細胞代謝過程中產(chǎn)生揮發(fā)性氣體的差異，實現(xiàn)了對肺癌的早期診斷。但比色傳感器陣列對于復(fù)雜混合物的分析仍然存在較大的瓶頸，要篩選出足夠多的對多種分析物具有不同親和力的指示劑仍存在一定的困難。分子印跡技術(shù)可以在印跡聚合物合成過程中通過不同模板及單體的選擇而獲得對多種分子具有不同親和力的分子印跡材料，結(jié)合了分子印跡等分離技術(shù)的傳感器陣列將會在疾病診斷中發(fā)揮重要的作用[46]。

3.3離子和小分子的檢測

3.3.1金屬陽離子的檢測金屬陽離子是生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域的研究對象，對金屬陽離子的檢測和識別是的重要任務(wù)之一。光化學(xué)比色傳感器陣列為金屬陽離子的檢測提供了方便、快速、廉價的方法。Abbaspour等[47]構(gòu)建了一個以紙為基質(zhì)的光化學(xué)比色傳感器陣列，快速地對Fe2+和Fe3+進行了定性和定量檢測。Li等[48]利用DNA探針構(gòu)建傳感器，通過傳感單元顏色的變化對重金屬離子Hg2+進行定性和定量檢測，靈敏度達0.1 nmolL。本課題組也在重金屬離子的比色傳感器陣列快速檢測上進行了大量研究[49，50]， 通過使重金屬離子溶液透過固載有指示劑的多孔硅膠基質(zhì)膜，達到富集效果，提高重金屬離子的檢測靈敏度。鋰鹽是治療躁狂癥和雙相情感障礙的首選用藥，其藥物濃度是情感性精神疾病診斷、治療、監(jiān)測、預(yù)防復(fù)發(fā)和病因?qū)W研究的重要指標。2009年，Severin研究組[51]合成了1種三核的大環(huán)熒光化合物，對Li+具有很強的選擇性，在過量Na+存在的水溶液和血清中均能對Li+進行很好地檢測。但該實驗中，熒光化合物的合成過程非常復(fù)雜，且傳感器整體的熒光強度也較弱。基于前期工作，該研究組隨后設(shè)計了一種更簡單有效的傳感器陣列[52]。在中性緩沖溶液中，將商品化的二羥基吡啶配體和Ru的復(fù)合物以及熒光物質(zhì)（HPTS）混合，含HPTS的大環(huán)化合物通過自組裝的方式形成，并使HTPS的熒光猝滅。加入Li+后，熒光增強。該傳感器對Li+有很好的選擇性，檢測濃度低于1 mmolL。

2012年，Anzenbacher等[53]利用納米纖維，制造了一種可穿戴的傳感器，用于金屬離子的檢測。分別摻雜有丹磺酰氯和多胺的兩根納米纖維本身均不帶熒光，而在兩根納米纖維的交叉點處，兩種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成熒光物質(zhì)。加入金屬離子后，熒光會相應(yīng)地增強或減弱。每個傳感單元的體積非常小，僅為10_Symbolm@@_18 L。每個傳感單元約能容納1000個熒光探針分子，使熒光比較集中，從而有利于用光學(xué)顯微鏡進行檢測。該實驗采用3種熒光前體和3種多胺構(gòu)建了熒光陣列傳感器，通過4個熒光發(fā)射通道檢測加入金屬離子后熒光的變化，對200 olL的10種金屬離子進行了準確的區(qū)分。并且，將該納米纖維制成的傳感器氈沉積到丁腈手套上，用于20 olL Co2+溶液的檢測，熒光猝滅現(xiàn)象非常明顯。

3.3.2陰離子的檢測相對于等電位的陽離子來說，無機陰離子半徑更大，因而電荷半徑比更小，從而降低了陰離子與受體的靜電結(jié)合效率；并且，陰離子有相對高的溶劑化自由能，需要受體與介質(zhì)進行有效的競爭，這種效應(yīng)在水溶液中尤其明顯。因此在水溶液中，無機陰離子比陽離子的檢測更困難，陰離子的檢測往往是衡量新檢測方法的一個重要指標[54，55]。Palacios等[54]以聚氨酯水凝膠為基底，構(gòu)建了一種含8個傳感單元的傳感器陣列，聚氨酯水凝膠不僅為傳感單元提供機械支持， 還有助于萃取目標陰離子。該傳感器對F_Symbolm@@_和HP2O73_Symbolm@@_具有選擇性，而對AcO-，Cl-等陰離子有明顯的交叉響應(yīng)，可對10種陰離子進行區(qū)分，已成功地應(yīng)用于不同品牌牙膏的鑒別。傳感器陣列與10種陰離子反應(yīng)后產(chǎn)生不同的顏色改變（其中NO-3與HSO-4濃度為20 mmolL，其余陰離子濃度為5 mmolL），即使用肉眼觀察，也能將10種離子區(qū)分開。Comes等[56]用含納米結(jié)合袋和染色劑的中孔固體材料應(yīng)用于水中磷酸根的檢測，對磷酸的選擇性好，檢出限低于1×10-4 molL。2011年，本研究組[57]構(gòu)建指示劑取代法傳感器陣列，對寬濃度范圍內(nèi)多個濃度的Cl-， Br-和I-進行了準確區(qū)分。隨后，本組[58]采用類似方法構(gòu)建傳感器陣列，對濃度為污水排放標準或飲用水標準的10種陰離子進行了有效區(qū)分，且可部分用于真實水樣的測定。

3.3.3有機小分子的檢測由于存在水的潛在干擾，水溶液中有機化合物的識別具有一定的挑戰(zhàn)[59]。光化學(xué)比色傳感器陣列成功地應(yīng)用于水溶液中有機小分子的檢測，如羧酸[60]，胺類[61]，諾氟沙星[62]等。Greene等[63]將分子印跡聚合物與指示劑取代法相結(jié)合，構(gòu)建傳感器陣列，成功用于7種胺類的區(qū)分。Zhang等[59]選擇了3類指示劑：與路易斯堿作用的含金屬離子的指示劑；與布朗斯特酸堿作用的酸堿指示劑，以及反映偶極變化的指示劑，并用這些指示劑構(gòu)建了含36個基本單元的傳感器陣列，用于水溶液中多種有機物的區(qū)分。該傳感器將疏水指示劑固定到疏水膜上，因此不受溶液中鹽濃度、離子強度以及強親水物質(zhì)的影響，已應(yīng)用于20余種有機小分子的檢測，即使結(jié)構(gòu)非常相似的物質(zhì)也能被區(qū)別開。

3.4混合物的檢測

對于混合物的檢測，傳感器陣列模仿哺乳動物的嗅覺味覺系統(tǒng)，通過眾多傳感器單元與分析物之間的復(fù)合響應(yīng)，而對各個混合物進行區(qū)分。傳統(tǒng)的混合物分析方法是通過聯(lián)用色譜、質(zhì)譜等技術(shù)，對混合物中的各種成分進行逐一分析。對于成分復(fù)雜的混合物，這種方法往往耗時較長，且鑒于分離材料的局限，很難將所有成分逐一解析。很多情況下（如產(chǎn)品品質(zhì)控制），對混合物進行分析，目標并不是分析混合物中的每種成分，而是比較幾種混合物之間的差別或者監(jiān)測混合物發(fā)生的變化。傳感器陣列不能對混合物中每種成分進行鑒別，但卻能很好地應(yīng)用于這種評估。光化學(xué)比色傳感器陣列在食品和飲料的質(zhì)量控制方面已廣為應(yīng)用，如不同香型白酒的鑒別[64]，不同品牌啤酒的區(qū)分[65]，肉類新鮮度的檢測[66，67]等。Zhang等[68]將25種商品化的指示劑固定到疏水膜上構(gòu)建傳感器陣列，成功用于14種軟飲料的區(qū)分，并且能分辨出經(jīng)脫氣和稀釋過的軟飲料。Musto等[69]用有機硅烷將指示劑固定，然后固載到多孔疏水膜上，構(gòu)建傳感器陣列，用于大量天然和人工甜味劑的鑒別，多孔的固載材料使分析物和指示劑之間的反應(yīng)加快，提高了反應(yīng)效率。肉類在貯存、加工和運輸過程中容易受外界環(huán)境和微生物等影響，而產(chǎn)生腐敗變質(zhì)，使品質(zhì)下降，其新鮮度水平的評定非常重要。Huang等[66]將9種指示劑固載在反相硅膠板上構(gòu)建傳感器陣列，用于魚肉新鮮度的評估。采用頂空方式，將傳感器陣列暴露在不同新鮮度魚肉中，根據(jù)傳感器陣列暴露前后的顏色變化對魚肉新鮮度進行分析，該方法也可用于高蛋白含量的其它食物的分析。