中南大学：氯化氢催化氧化及反应动力学-服务案例-高校虚拟教学仿真软件

中南大学“氯化氢催化氧化及反应动力学”于2019年获批国家级一流本科课程。

实验目的

氯气（Cl₂）是制备农药、有机染料、橡胶、塑料等的重要原料，并被广泛用作漂白剂、消毒剂、氧化剂等。氯化氢（HCl）催化氧化制备Cl₂是化学化工领域一个经典的催化反应，大学化学类及化学相关类专业学生掌握Cl₂的制备及催化-反应动力学机理非常重要。但是，由于HCl和Cl₂的高危性以及该反应所涉及的反应动力学变量多、耗时长、催化剂表征需要多台套昂贵的大型仪器设备等问题，相关实验教学工作至今无法面向本科生开设。

本项目团队基于拥有自主知识产权的最新科研成果——“用于HCl催化氧化制备Cl₂的铬基尖晶石型氧化物催化材料”设计了本虚拟仿真实验项目，从催化剂的制备到催化氧化反应过程和机理，将氯化氢催化氧化反应及动力学机理通过虚拟的方式完整展现在学生面前。

本虚拟仿真实验项目的主要目的：

（1）通过仿真技术模拟氯化氢实验室安全事项，虚拟漫游展现氯化氢催化氧化制备氯气反应系统，使学生熟悉危险气体反应装置的搭建及固定床反应器的构造、操作及维护等，树立安全意识。

（2）通过仿真技术使学生在较短时间内完成多种动力学参数对催化剂性能影响的实验，掌握催化反应动力学数据的测定，并在此基础上建立动力学方程，从而对化学动力学相关内容有全面的把握。

（3）通过仿真实验中不同催化剂的系统对比实验，包括：晶体结构、表面反应机理、物理化学性质、催化性能，使学生在类似科研的训练中获得催化剂研究思路，深化对“结构-性质”关联规律的认识，树立根据特定反应设计新型催化剂的创新意识。

实验原理

催化氧化法是在催化剂条件下，用O₂将HCl氧化为Cl₂和H₂O的方法。

在1868年，英国人Deacon发表了一系列以负载在载体的锰或铜盐上作催化剂，用空气氧化氯化氢的专利，被称为Deacon过程。传统Deacon过程在一段反应器中进行，最初以CuCl₂为催化剂，反应温度为430~475℃。反应方程式如下：

本实验采用的催化剂为传统的Cr₂O₃催化剂以及最新的尖晶石CoCr₂O₄、尖晶石ZnCr₂O₄催化剂。三种催化剂的催化机理如下，其中*代表催化剂上的空位，即活性位点。

Cr₂O₃遵循L-H机理，反应物在催化剂的表面进行吸附、反应，由五步基元反应组成。

HCl + O* + *= OH* + Cl* （1）

Cl*+ Cl* + *= Cl₂ + 2* （2）

OH* + OH* = H₂O* + O* （3）

H₂O* = H₂O + * （4）

O₂+2*= 2O* （5）

尖晶石CoCr₂O₄也遵循L-H机理，反应物在催化剂的表面进行吸附、反应，由六步基元反应组成。

HCl(g)+2*→H*+Cl* (1)

O₂(g) +2*→O₂* (2)

2Cl*→Cl₂(g)+2* (3)

O₂*+ H*→OOH*+* (4)

OOH*+H*→2OH* (5)

OH*+H*→H₂O+2* (6)

尖晶石ZnCr₂O₄遵循M-K机理，除了反应物在催化剂的表面进行吸附之外，还涉及到体相晶格氧参与反应，可以看做是六步基元反应组成。

HCl(g) + O(lat) + 2* → OH*(lat) + Cl* (1)

OH*(lat) + H* → H₂O(g) + 2*(vac) (2)

2Cl*(vac) → Cl₂(g) + 2*(vac) (3)

O₂(g)+ *(vac) → O(lat) + O* (4)

O* + H* → OH* + * (5)

OH* + H* →H₂O(g) + 2* (6)

本实验项目包括氯化氢实验室安全、催化剂晶体结构与催化机理、催化剂的制备、催化氧化反应、催化剂的表征五个模块。首先，通过第一模块氯化氢实验室安全的学习，了解实验室安全注意事项。接着，通过第二模块催化剂晶体结构与催化机理的学习，了解氧化铬、铬酸锌、铬酸钴三种催化剂的结构，了解氧化铬与尖晶石型铬酸盐的催化机理的区别。通过第三模块催化剂的制备的学习，掌握溶胶凝胶法制备金属氧化物催化剂的方法。通过第四模块氯化氢催化氧化反应的学习，掌握固定床反应器的构造、操作，以及测定氯化氢催化氧化反应各种动力学参数，如反应温度、进气比、催化剂用量、反应时间对催化性能的影响。最后，通过第五模块催化剂的表征的学习，了解催化剂的微观形貌、比表面积、晶体结构、表面元素价态测定方法，并将表征结果与催化剂的催化性能关联起来，深入理解催化剂“结构-性能”的构效关系。

由于氯化氢和氯气本身腐蚀性强、毒性高，该反应装置在高校不易搭建；再加上化学动力学实验，变量多、时间长、数据的准确度要求高，无法对学生开放实际操作实验。因此，采用Unity 3D虛拟仿真技术，重点对上述五个模块的内容进行仿真。项目实现了从催化剂制备一直到氯化氢催化氧化反应及动力学的全过程虚拟仿真。实验全过程通过“交互性操作”来进行，仿真度高，使学生能真正进行“沉漫式学习”。实验系统对于学生不同的操作指令给出不同的反应结果和适当的引导，真正实现了“主动式学习”，对本科生的科学思维和创新能力培养具有良好的推动作用。

实验内容

实验共划分为以下5个模块：

1、HCl实验室安全：实验室隐患排查，实验中错误操作引发的事故和发生事故时的应急处理。

2、催化剂的晶体结构与催化机理：通过使用Material Studio软件进行催化剂的结构设计以及催化机理的动态分子模型构筑。