催化是催化剂加快化学反应的过程。催化剂参与反应机理，但在总体转化过程中会再生，而不是被消耗。催化剂改变反应物转化为产物的速率，却不改变反应总的标准吉布斯能变。催化在化学、生物过程和工业生产中具有重要的基础性作用，能够提高反应速率，并促进目标产物的生成，减少竞争性副产物的形成。(goldbook.iupac.org)
原理与反应机理
一个反应即使在热力学上有利，也可能进行得很慢，因为反应物必须克服能垒。催化剂提供了一条有效能垒较低的替代反应路径，入门教材通常将其描述为降低了活化能。这一反应机理可能包含多个中间步骤，而非一次直接转化。反应加速的程度取决于催化路径上的能垒，而不只是步骤的数量。(openstax.org)
因此，催化剂影响的是反应动力学，而不是总反应的基本热力学性质。在温度一定时，催化剂不会改变该反应的平衡常数。它们同时促进正向和逆向转化，使反应更快地达到化学平衡；仅凭催化剂本身，无法使原本不利的平衡变得有利。(goldbook.iupac.org)
一个用于说明的简单催化循环如下：
[ A+C\rightleftharpoons AC,\qquad AC+B\rightarrow P+C ]
其中，(C) 是催化剂，(AC) 是中间体，(P) 是产物。将各步骤相加，得到总反应 (A+B\rightarrow P)，催化剂在净反应方程式中被消去。再生并不意味着催化剂在整个反应机理中始终保持化学性质不变：暂时成键和中间体的形成是许多催化过程的核心环节。(nobelprize.org)
主要形式
在**均相催化中，反应体系只有一个相。常见例子包括溶液中由酸催化的反应。在多相催化**中，反应发生在不同相之间的界面处或其附近，通常涉及固体催化剂与气态或液态反应物。这些分类依据的是相之间的关系，而不是催化剂属于生物、金属还是有机物。(goldbook.iupac.org)
固体催化剂的作用机理通常涉及反应物的吸附、表面上的转化，以及产物的解吸。表面组成和原子排列可以影响各个反应步骤。例如，对铁催化氨合成的研究将宏观反应速率与催化剂表面的基元反应联系起来，并揭示了钾的助催化作用如何影响氮的吸附。(nobelprize.org)
**有机催化**使用有机小分子作为催化剂。它在不对称催化中尤为重要：催化剂会优先促进一种对映异构体的形成，而不是其镜像对应体。这种选择性使催化合成不仅能够控制生成哪些化合物，还能控制它们的三维构型。(nobelprize.org)
当反应产物能够催化生成它自身的反应时，就会发生**自催化**。这不同于由另外加入的物质所引起的普通催化。按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的术语，降低反应速率的物质称为抑制剂，而不是“负催化剂”。(goldbook.iupac.org)
生物催化
生物催化是由生物催化剂，尤其是酶进行的催化。大多数酶是蛋白质，不过也存在具有催化活性的 RNA。酶催化是代谢中各种化学转化以及许多遗传信息传递过程的基础。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶在活性位点与底物结合，形成酶—底物复合物。催化过程可以涉及使反应物以适当的方向排列、稳定过渡态、转移质子，或形成暂时性的共价中间体。结合还可能改变酶和底物双方的构象。这些机理说明，酶并不只是供反应物相遇的被动表面。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶的活性可以通过与其他分子的相互作用受到调节。这些相互作用可能改变蛋白质的构象，进而改变其催化行为。尽管酶具有特异性且受到调节，它们仍遵循与其他催化剂相同的热力学约束：加快反应，但不改变反应的总体平衡。(ncbi.nlm.nih.gov)
活性、选择性与耐久性
催化剂的性能包括活性和选择性。活性指在指定条件下转化的快慢；选择性指相对于其他产物，反应优先生成目标产物的程度。转换频率表示每个活性位点在单位时间内发生的反应次数，使活性能够与催化位点联系起来，而不只是与所用材料的质量联系起来。(energy.gov)
催化剂在反应循环中能够再生，并不保证其使用寿命无限。污染物引起的中毒、积碳、颗粒烧结、结构变化或物理磨损，都可能导致催化剂性能下降。具体机理取决于催化剂及其运行环境。例如，生物质转化催化剂的研究会区分无机物引起的中毒、积碳以及金属组分的重新分布。(energy.gov)
应用与历史发展
哈伯法是工业多相催化的一个典型例子：加入助催化剂的铁催化剂促进氮与氢转化为氨，后者是生产化肥的原料。在电化学中，电催化剂促进电极表面的反应，包括燃料电池和制氢过程中所用的反应。高效催化可以降低化学加工所需的温度、压力或能耗。(nobelprize.org)
永斯·雅各布·贝采里乌斯于1835年提出“催化”一词。此后，威廉·奥斯特瓦尔德推动了从反应速率的角度理解催化，而不再将其归因于一种无法解释的催化力。他因在催化、化学平衡和反应速率方面的研究而获得1909年诺贝尔化学奖。此后，催化领域还多次获得这一奖项的认可，包括因发展不对称有机催化而颁发的2021年奖项。(nobelprize.org)