Одна из важных задач гетерогенного катализа – увеличение эффективной поверхности катализатора. Удельная поверхность катализаторов, применяемых в промышленности, составляют около 150 м²/г. Некоторые катализаторы на основе активированного угля или молекулярных сит имеют удельную поверхность до 1000 м²/г. Кроме большой активной поверхности, катализаторы должны иметь небольшую массу, высокую прочность и обтекаемость. Совокупностью таких свойств обладают перспективные катализаторы – искусственные цеолиты (молекулярные сита) и пористая керамика.

Гетерогенный катализ известен давно – еще со времен шведского химика И.Я. Берцелиуса (1799–1848), но только недавно – примерно 20 лет назад – уникальные методы и приборы открыли путь для экспериментального исследования химических явлений на поверхности. В результате гетерогенного катализа получается из элементных азота и водорода аммиак NH₃ – важнейший компонент удобрений. При повышенной температуре N₂ и Н₂ могут реагировать с образованием NH₃ на совершенных кристаллах железного катализатора. Грань кристалла железа (111) примерно в 430 раз активнее, чем грань (110) и в 13 раз активнее, чем грань (100). Синтез аммиака – один из первых каталитических процессов, внедренный в крупное промышленное производство. Обычно катализатором для такого синтеза служат мелкие частицы железа – тонко-дисперсное железо, осажденное на оксиде алюминия с добавкой оксида калия. Синтез происходит при 500° С. В последнее время проводится поиск катализатора, который позволил бы снизить температуру синтеза.

К настоящему времени освоены многие новые каталитические процессы для промышленного производства ценных продуктов (табл. 6.1).

Таблица 6.1.

Современные экспериментальные средства позволяют проследить за поведением атомов на поверхности твердого катализатора. Поверхностные атомы обладают способностью образовывать химические связи и влиять на химические свойства молекул. Поэтому поведение реагентов на поверхности твердого катализатора может резко отличаться от поведения тех же молекул в растворе или газовой фазе.

Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных cит – природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород (алюмосиликаты) и включающих мельчайшие пустоты и каналы, образующие пористую структуру. Попавшие внутрь пустот и каналов молекулы вступают в химическую реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Форма и размер внутренних полостей не только влияют на селекцию реагентов, но и ограничивают размер частиц конечного продукта, т.е. молекулярные сита – селективные катализаторы. Они применяются, например, для производства высокооктанового бензина в результате крекинга и для превращения полученного из древесины метанола в бензин.

Давно известно, что чрезвычайно малых размеров частицы, состоящие всего лишь из нескольких тысяч атомов, могут активно катализировать превращения углеводородов (производство топлив) и реакцию синтеза аммиака из азота (производство удобрений). Такие частицы обладают каталитическими свойствами, если они получены из металлов: кобальт, никель, родий, палладий и платина. Все эти металлы являются очень дорогостоящими, поэтому разработка более дешевых и широко доступных катализаторов представляет практический интерес.

Производству нужны такие катализаторы, которые позволили бы превращать имеющееся в изобилии и дешевое сырье в более ценные и полезные соединения, а именно превращать азот в нитраты (производство минеральных удобрений), уголь в углеводороды (производство топлива), соединения с одним атомом углерода – моноксид в диоксид углерода, метан и метанол в соединения с двумя атомами углерода – этилен, этан, уксусную кислоту и этиленгликоль (промышленное сырье).

Для сохранения окружающей среды нужны не только каталитические конверторы для очистки выхлопных газов автомобилей, но и эффективные катализаторы для удаления оксидов серы из заводских дымов, очистки воды и т. п.