说明：本文华算科技主要介绍催化剂失活到底指什么，以及中毒、积碳、烧结、活性组分流失和结构坍塌这几类原因分别怎样让催化剂一步步失去活性。
催化剂失活，指的是它的活性或选择性随使用时间下降。一条反应的速率，大致等于活性位数目乘以每个位点的本征活性；只要活性位被占住、被埋掉、数目变少，或者本身变了性，速率就会往下走。失活是这些位点被一点点消耗的结果，工业上表现为要定期更换或再生催化剂，直接推高成本。
按能否恢复，失活分成两类：毒物弱吸附、轻度积碳一类去掉诱因后活性能回来，属于可逆；金属烧结、组分流失、骨架坍塌一类，结构已经改变，很难复原。按机理则常归成中毒、积碳、烧结、组分流失和结构坍塌五种，它们各有各的成因。
中毒是杂质分子和活性位发生强吸附或化学结合，把位点占死。常见毒物有硫、氯、砷、铅和碱金属钾、钠，有时反应物里极微量就够。毒物一旦键合在活性位上，反应物就挤不上来。毒性大小取决于键合强度：结合越牢，越难被反应气流带走。
脱硝催化剂是典型例子。钾、钠等碱金属会中和催化剂表面的酸性位，随着掺入量增加，NO转化率从近90%一路跌到只剩一二十个百分点。少量毒物，就能让整条活性温度窗口塌下去。
毒物量和活性之间关系很陡。碱金属与铈的比值一升高，催化活性沿一条急剧下降的曲线掉下来，前期一点点毒物就造成大幅损失。可见活性位数目有限，最活泼的那批位点会被毒物挑走。工业脱硝、加氢精制里，硫和碱金属中毒尤其常见。
中毒都是不可逆的吗？
要看键合强弱。弱吸附的毒物在升温或换气后能脱附，活性部分恢复，属于可逆中毒；与活性位形成强化学键或生成稳定化合物的，则难以复原。工业上常靠预净化原料、加保护床或定期再生来对付中毒。
还有一种选择性中毒，毒物集中占据最活泼的位点，反而让选择性发生偏移。识别中毒，要把毒物元素分析和活性位表征对照，看毒物落点和活性变化是否吻合。元素在活性位上的富集，是中毒的直接线索。
积碳指反应过程中，烃类或含碳中间体在催化剂上脱氢、聚合、缩合，生成碳质沉积物。它既能覆盖在活性位表面，也能沉积在孔口、把孔道堵死。
高温、酸性位强、氢气不足的条件，都会加快积碳。烃分子越大、越容易脱氢，结焦倾向也越强。积碳是重整、裂化等反应里最常见的失活方式。
积碳造成两种失活。一种是碳膜直接盖住金属或酸性位，反应物接触不到；另一种是孔道被碳堵塞，反应物扩散不进去、产物出不来。前者削弱本征活性，后者阻碍传质，两者常一起发生。分子筛的酸性孔道，最容易因积碳而堵塞。
失活催化剂的XRD上会冒出石墨碳的衍射峰，热重曲线在通空气升温时出现显著失重，失重量直接对应积碳量。DTG峰的位置还能区分碳的种类：低温烧掉的是无定形软碳，高温才烧掉的是石墨化硬碳。
和烧结、流失不同，积碳常常是可逆的：把催化剂在空气或水蒸气里烧一烧，碳被氧化掉，活性大体能恢复。但反复高温再生会顺带引起金属烧结，所以再生次数也有限度。能不能烧碳恢复，是区分积碳和其他失活的一个办法。定期烧碳再生，是积碳催化剂延寿的常规操作。
金属颗粒是怎样长大的？
负载型催化剂的活性金属以纳米颗粒分散在载体上。高温下这些颗粒会长大，动力来自减少金属的总表面能。长大有两条路：奥斯瓦尔德熟化让小颗粒溶解、原子迁移到大颗粒上；颗粒整体迁移、相撞后聚并成更大的颗粒。
颗粒一旦长大，比表面积下降，暴露在外的活性原子数目随之减少，活性也就掉了。和积碳不同，烧结改变的是金属自身的分散状态，通常不可逆，只能靠设计去预防。反应温度越高、金属熔点越低，烧结越快。
电镜加尺寸统计能量出颗粒尺寸分布。反应一段时间后，不同催化剂的金属颗粒集中在几纳米到十几纳米，颗粒越大、分布越宽的样品，可用的活性表面就越少。颗粒越小、表面原子占比越高，长大的驱动力反而越强。
除了金属，还有什么在烧结？
载体本身也会烧结：高温让载体比表面积收缩、孔道变粗，连带把金属颗粒推着聚集。强金属-载体相互作用、把金属锚定或限域在孔道里，能显著延缓烧结。
镍基催化剂里，起始镍颗粒本就有十几纳米，尺寸偏大的样品更容易继续长大、更早失活。抗烧结的常用手段是提高分散、增强锚定、加入结构助剂，把颗粒钉在小尺寸上。
活性组分流失，指活性金属在使用中离开了催化剂。高温下部分金属会形成挥发性物种被气流带走；液相反应里，金属被溶液浸出到体相；流化床中颗粒相互摩擦，活性层被机械冲刷掉。金属总量少了，活性自然下降，而且流失的金属难以回收。
结构坍塌和相变，则是把载体骨架或活性相整个改掉。载体在高温下发生相变、孔道塌陷，比表面积骤降；活性相被氧化、还原或与载体反应，生成没有活性的新物相。这类变化多数不可逆，是长周期运行后性能持续走低的重要原因。
对比新鲜和使用后的XRD，就能看到这类结构变化：峰变尖、峰位移动或冒出新相，说明晶粒长大、发生了相转变。同一个催化剂的新旧谱图叠在一起，结构改没改一目了然。
催化剂在真实运行中，失活常常是几种原因并行发生：积碳的同时金属在烧结，中毒的同时骨架在变。找主因得把活性曲线、电镜、热重、谱学和元素分析放到一起核对，再据此设计再生或抗失活方案。分清主因，才能对症延长催化剂寿命。
