這是一個十分復(fù)雜的問題.幾十年來,有關(guān)催化劑的資料積累了許多,也提出過不少的催化理論,但至今還缺乏適用范圍廣泛的理論來闡明催化劑的作用原理,并指導(dǎo)人們更好地選擇催化劑.這是由于催化反應(yīng),特別是多相催化反應(yīng),是一個十分復(fù)雜的問題.它不僅涉及一般的化學反應(yīng)機理,而且還涉及到固體物理學、結(jié)構(gòu)化學和表面化學等學科,而這些都是人們至今還在探索的科學領(lǐng)域.另一方面,催化理論的研究,還必須借助于先進的實驗手段,但目前研究催化劑反應(yīng)機理的實驗工具還不夠完善,至今人們還無法洞察催化反應(yīng)在進行過程中催化劑表面的結(jié)構(gòu)變化,以及反應(yīng)物在具體催化過程中的轉(zhuǎn)化情況.目前催化理論落后于催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中所獲得的巨大成就,所以必須加強催化學科基礎(chǔ)理論的研究.
催化劑與反應(yīng)物同處于均勻的氣相或液相中的催化稱為單相催化（又叫均相催化）.單相催化一般認為是反應(yīng)物與催化劑先生成一定的中間產(chǎn)物,然后催化劑又從這些中間產(chǎn)物中產(chǎn)生出來.反應(yīng)物與催化劑形成中間產(chǎn)物,再由中間產(chǎn)物變?yōu)楫a(chǎn)物的總的活化能,要比反應(yīng)物之間直接反應(yīng)成為生成物的活化能小得多.
催化劑自成一相（固相）,在催化劑表面進行的催化作用叫做多相催化.對于多相催化反應(yīng),目前有三種理論：即活性中心理論、活化絡(luò)合物理論和多位理論.
（1）活性中心理論
活性中心理論認為,催化作用發(fā)生在催化劑表面上的某些活性中心.由于這些活性中心對反應(yīng)物分子產(chǎn)生化學吸附,使反應(yīng)物分子變形,化學鍵松弛,呈現(xiàn)活化狀態(tài),從而發(fā)生催化作用.在固體表面,活性中心存在于棱角、突起或缺陷部位.因為這些部位的價鍵具有較大的不飽和性,所以具有較大的吸附能力.通?；钚灾行闹徽颊麄€催化劑表面的很小部分.例如,合成氨的鐵催化劑的活性中心只占總表面積的0.1％.活性中心理論可以解釋：為什么微量的毒物就能使催化劑喪失活性（毒物破壞或占據(jù)活性中心）,為什么催化劑的活性與制備條件有關(guān)（制備條件能影響晶體結(jié)構(gòu),即影響活性中心的形成）.
（2）活化絡(luò)合物理論
（3）多位理論
活性中心理論和活化絡(luò)合物理論都沒有注意到催化劑表面活性中心的結(jié)構(gòu),因而不能充分解釋催化劑的選擇性.多位理論認為,表面活性中心的分布不是雜亂無章的,而是具有一定的幾何規(guī)整性.只有活性中心的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)物分子的結(jié)構(gòu)成幾何對應(yīng)時,才能形成多位的活化絡(luò)合物,從而發(fā)生催化作用.這時催化劑的活性中心不僅使反應(yīng)分子的某些鍵變得松弛,而且還由于幾何位置的有利條件使新鍵得以形成.
上述的三種多相催化理論都能解釋一些現(xiàn)象,但還有許多事實不能說明.在這三種理論中,有兩點是共同的：第一,認為催化劑表面有活性中心存在,催化劑表面結(jié)構(gòu)不是均勻的,催化能力不是各處一樣.第二,認為反應(yīng)物分子與活性中心之間相互作用的結(jié)果使化學鍵發(fā)生改組,從而生成產(chǎn)物.至于活性中心的本質(zhì)和活化絡(luò)合物的本質(zhì),是今后需進一步研究的重要課題.