Катализаторы играют исключительно важную роль в живой природе. Г. К. Боресков отмечает, что почти все реакции в живых организмах сами по себе происходят медленно и только благодаря участию биологических катализаторов протекают с достаточной для организмов скоростью. В состав многих катализаторов, стимулирующих природные процессы, входят металлы. Наиболее важными биологическими катализаторами для живых организмов являются ферменты (энзимы), которые с древних времен несознательно используются людьми при приготовлении вина и образовании уксуса из спиртовых жидкостей.

Человечество может многому поучиться у живой природы в области катализа. Так, например, под действием катализаторов живой природы, азот воздуха вступает в реакцию при атмосферном давлении и обычной температуре, а ныне применяемые в промышленности катализаторы проявляют достаточную активность лишь при давлении в несколько сот атмосфер и температурах более 400°С. В то же время людям, создающим новые катализаторы, едва ли целесообразно полностью моделировать природные условия, поскольку они имеют возможность применять более высокие концентрации реагентов, температуры и давления, чем в обычных природных условиях.

Первым случаем сознательного применения катализаторов Г. М. Шваб считает образование этилового эфира из спирта с помощью серной кислоты, открытое в VIII в. Поиски “философского камня” во времена алхимического средневековья приравнены к поискам катализатора.

В конце 18 в. было открыто каталитическое действие кислот при осахаривании крахмала и впервые применены твердые катализаторы: глины при дегидратации спиртов, металлы в процессах дегидрирования. Однако понятие о катализе возникло позднее. Лишь в 1834 г. Е. Митчерлих ввел понятие “контактные реакции”, а в 1835 г. Д. Берцелиус предложил термин “катализ”.

Из распространенных ныне в промышленной практике твердых катализаторов первой, по-видимому, была открыта и получила широкое применение металлическая платина. В первой четверти прошлого века открыто ускоряющее действие платины в реакциях разложения перекиси водорода, окисления водорода, окиси углерода и углеводородов, окисления спирта в уксусную кислоту. В 1831 г. Филлипс запатентовал применение платины для окисления сернистого ангидрида. Однако резкое снижение активности платины при переработке сернистого газа, полученного обжигом колчедана, препятствовало ее промышленному применению. Причина этого явления — отравление платины соединениями мышьяка и другими ядами, была установлена лишь в конце 19 столетия. Только после этого были разработаны способы очистки газов от контактных ядов и возник первый крупномасштабный промышленный каталитический процесс — контактное окисление сернистого ангидрида. Разработка контактного способа производства серной кислоты проводилась одновременно в России на Тентелевском химическом заводе (ныне завод “Красный химик”) и в Германии. Первый контактный аппарат с платиновым катализатором для переработки газов колчеданных печей был введен в эксплуатацию на Тентелевском заводе в 1897 г., но окончательно разработан и запатентован способ был лишь в 1902 г., т. е. позже, чем в Германии (1898 г.).

Ныне открыты тысячи катализаторов, несколько сот из них находят практическое применение. Важнейшие крупномасштабные химические производства базируются на применении катализаторов в наиболее ответственных процессах.

Некоторое представление о катализаторах и каталитических реакциях, применяемых в производстве важных для народного хозяйства продуктов, дает табл. 1.

Самыми крупнотоннажными катализаторами являются алюмосиликаты. Аморфные алюмосиликаты, а в последние годы и кристаллические алюмосиликаты (цеолиты) широко применяют в каталитической переработке нефтепродуктов как в качестве собственно катализаторов (крекинг), так и в виде прочных пористых носителей для металлов и окислов в различных процессах.

Значение катализаторов и каталитических процессов в нефтепереработке и нефтехимии невозможно переоценить. Ведь именно они являются базой технического прогресса в важнейших областях обеспечения потребностей современного человеческого общества. Дело прежде всего в том, что нефть различных месторождений содержит обычно лишь от 5 до 20% легкокипящих фракций, соответствующих бензину. Потребность же в бензине при современном развитии автомобильного и авиатранспорта огромна. При этом моторные топлива, отогнанные непосредственно из нефти, обычно получаются низкого качества. Применение же каталитического крекинга и риформинга в сочетании с другими современными методами переработки позволяет повысить выход высокоактивных бензинов до 75% от веса нефти. Моторные топлива получают также при каталитическом гидрировании каменного угля с применением металлических катализаторов.

Дальнейшая каталитическая переработка углеводородов на металлических и окисных катализаторах позволяет получать полупродукты, необходимые в производстве предметов народного потребления. Большая часть мономеров и полученных из них полимеров является продуктами каталитических процессов переработки углеводородов и их производных, полученных из нефти, угля, сланца, природного газа. Каталитические процессы играют важную роль в производстве моющих средств, красителей лекарственных веществ.

Основной органический синтез, дающий полупродукты (и продукты органической технологии) базируется в основном на каталитических реакциях. Большое значение в жизни современного общества имеют такие продукты химической промышленности как серная кислота, аммиак и азотная кислота. Почти все отрасли народного хозяйства потребляют эти вещества или же другие химические соединения, полученные с их помощью. На их основе производят десятки миллионов тонн минеральных удобрений, без которых невозможно повышение или даже сохранение урожайности полей. Сотни производств химической, нефтехимической, пищевой, легкой и других отраслей промышленности используют серную, азотную кислоты, аммиак и их производные. Применяют указанные соединения также в металлургической и металлообрабатывающей промышленности.

Между тем крупномасштабное производство серной кислоты, аммиака и азотной кислоты из аммиака стало возможным только благодаря открытию соответствующих катализаторов и разработке способов их применения.

Реакции окисления сернистого ангидрида и аммиака, синтеза аммиака из азота и водорода не могут идти с необходимой для производства скоростью без применения катализаторов. Таким образом, катализаторы, ускоряя соответствующие реакции в миллионы раз, обеспечивают возможность промышленного производства аммиака, азотной и серной кислот.

Для синтеза аммиака и процессов гидрирования органических соединений необходим водород, значительную часть которого производят конверсией природного газа (в основном метана) с водяным паром. Первую стадию этого процесса осуществляют на никелевом катализаторе с получением синтез-газа, содержащего водород и окись углерода. Вторую стадию — конверсию окиси углерода с водяным паром — проводят на окислах железа и хрома. Ныне открыты катализаторы, содержащие окислы меди и медные шпинели, которые много активнее железохромовых и позволят полнее использовать СО в конверсии с водяным паром

Синтез-газ (mCO + nH₂), получаемый при конверсии метана с водяным паром, служит сырьем для производства многих ценных продуктов: метанола на цинк-хроммедных катализаторах, углеводородов для получения синтетического бензина, синтола и моющих средств с применением железных, кобальтовых, никелевых и других сложных катализаторов, высших спиртов на промотированных железных катализаторах. Применяя разные катализаторы и варьируя параметры технологического режима, из одного и того же сырья получают разнообразные продукты с различными свойствами.

Яркими примерами избирательного действия катализаторов являются процессы окисления этилена и гидратации ацетилена. При окислении этилена на серебряном катализаторе получают окись этилена, а продуктом окисления этилена на палладиевом катализаторе является ацетальдегид. Ацетальдегид получают также гидратацией ацетилена с применением HgSO₄ в качестве катализатора, но, применяя дегидрирующий катализатор ZnO на углеродистом носителе и меняя параметры режима гидратации, производят из ацетилена ацетон.

Большие перспективы открывает применение многокомпонентных полифункциональных катализаторов, дающих возможность одновременно ускорить несколько необходимых в данном процессе реакций. Первым крупномасштабным процессом такого рода было получение бутадиена одновременным дегидрированием и дегидратацией этилового спирта. Открытие и разработка этого процесса профессором Лебедевым с сотрудниками было триумфом советской науки и техники. В 1930 г. был построен опытный завод производства синтетического каучука из спирта в Ленинграде, а с 1932 г. началось крупномасштабное промышленное производство синтетического каучука в Советском Союзе. Аналогичное производство было освоено в Германии в 1936 г., а в США лишь в 1942 г.

Другой сложный каталитический процесс — риформинг широко применяют в промышленности с пятидесятых годов. Однако основные реакции, происходящие при риформинге, были открыты советскими учеными Молдавским и Камушер, Казанским и Плате еще в 1936 г.

Процессы полимеризации происходят в основном при действии катализаторов или инициаторов. Разработанные в последние годы стереоспецифические катализаторы полимеризации не только возбуждают и ускоряют реакцию, но и направляют ее по пути получения продукта определенного состава и даже определенного строения. Так, применение твердых стереоспецифических катализаторов полимеризации бутадиена позволило получить каучук повышенной механической прочности. Автопокрышки, изготовленные из такого каучука, могут служить в 2,5 раза дольше, чем из каучука, полученного старым способом.

Растет применение катализаторов для очистки технологических и отходящих газов. При этом вредные компоненты превращаются в вещества или безвредные или же легко выделяемые из газовой смеси.. Особенно широко применяют каталитическую очистку отходящих газов и воздуха от органических примесей путем их сжигания на палладиевых, платиновых и иных катализаторах с получением СО₂ и водяных паров.