金屬氧化物的催化作用

金屬氧化物在催化領域中的地位很重要，它作為主催化劑、助催化劑和載體被廣泛使用。就主催化劑而言，金屬氧化物催化劑可分為過渡金屬氧化物催化劑和主族金屬氧化物催化劑，后者主要為固體酸堿催化劑（見酸堿催化作用）。
堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物以及氧化鋁、氧化硅等主族元素氧化物，具有不同程度的酸堿性，對離子型（如正碳離子）反應有催化活性，還可用作載體或結構助催劑。主族金屬氧化物催化劑為酸堿催化劑。過渡金屬氧化物催化劑的金屬離子有易變價的特性，廣泛用于氧化、脫氫、加氫、聚合、合成等催化反應。
實用氧化物催化劑，通常是在主催化劑中加入多種添加劑制成的多組分氧化物催化劑。金屬氧化物很多是半導體，因此，能帶概念被用來解釋催化現象，電導率、逸出功等金屬氧化物整體性質被用來解釋催化活性，離子的 d電子組態、晶格氧特性、表面酸堿性等氧化物的局部性質也被用來解釋催化活性。 各種現代物理化學實驗方法，如掃描顯微鏡、X射線光電子能譜儀程序升溫脫附技術穆斯堡爾共振儀X射線衍射、紅外或激光曼光譜、核磁共振、順磁共振等，可用來研究催化劑的結構，包括表面結構、組成、活性中心種類、活性組分價態和所處化學環境、吸附態的構型等性能。
由多種金屬氧化物組成的催化劑進行選擇氧化，是金屬氧化物催化的主要內容。 在有機化學中，氧化是指：①脫氫，如CH─→CH=CH─→CH≡CH；②電負性大的元素（如氮、磷、氧、硫、氟）取代與碳結合的氫原子，如 CH─→CHOH─→CHO─→HCOOH─→CO，如果原料完全轉化為二氧化碳和水，則稱為完全氧化或深度氧化；如果反應在中途停止，則稱為選擇氧化或部分氧化；烴類（特別是烯烴）在氨存在下進行的反應稱氨氧化：
2R[557-01]CH+3O+2NH─→2RCN+6HO它也是一種選擇氧化。反應物分子與氧結合時，首先要發生鍵的斷裂，氮分子的鍵能為226千卡/摩爾，氧分子為119千卡/摩爾，氫分子為104千卡/摩爾，氟分子為38千卡 /摩爾，碳-碳鍵為88千卡/摩爾。鍵斷裂總是首先斷裂弱鍵。因此，氟分子參與氧化時首先斷裂氟-氟鍵，生成自由原子。氧參與氧化時，首先不是斷裂氧-氧鍵，而是：①氫的氧化首先斷裂氫-氫鍵；②飽和烴的氧化首先斷裂碳-碳鍵或在催化劑作用下首先斷裂碳- 氫鍵。不是氧先吸附在催化劑上，與反應物直接作用；就是氧化物催化劑中的氧先與反應物作用，缺氧的催化劑再與氧作用而恢復原狀。 應具有如下功能：①為反應物提供的氧量足以形成產物，但又不致使其完全氧化；②能為反應物提供吸附（或配位）部位，使之變形，成為活化狀態；③能在反應物之間傳遞電子。以上這些要求使選擇氧化催化劑在使用上受到極大限制，催化劑的選擇性對反應條件十分敏感，與催化劑本身以及載體和助催化劑的結構也很有關系。氨氧化催化的特點是：①選擇氧化的選擇性很高，但即使在500℃的高溫下完全氧化的活性也很小；②沒有氧時，能被反應物還原。