1-1- مفهوم کاتالیز شدن
کاتالیست ترکیبی است که با کاهش انرژی فعالسازی یک واکنش سرعت انجام آن را افزایش میدهد، بدون آنکه خود در آن واکنش مصرف شود [1]. همانگونه که در شکل (1-1) دیده میشود، زمانی که کاتالیست در واکنش وجود ندارد، انرژی فعالسازی واکنش بسیار بزرگ است و واکنش به کندی رخ می دهد و یا عملاً واکنشی صورت نمیگیرد. با افزودن کاتالیست، واکنش از مسیر جدیدی پیش میرود که انرژی فعالسازی کل کاهش یافته و واکنش به راحتی انجام شود.
شکل (1- 1) مقایسه واکنشهای کاتالیز شده و کاتالیز نشده [1].
با استفاده از کاتالیستها امکان سنتز گروه وسیعی از ترکیبهای دارویی، پلیمرها و سوختها وجود دارد که بدون استفاده از کاتالیستها قابل انجام نیستند و یا با سرعت کمتری انجام میشوند. همچنین پدیدههای کاتالیستی، میتواند نقش عمدهای را در حل بسیاری از مسایل مربوط به حفظ محیط زیست ایفا کند. غربالهای کاتالیستی در اگزوز اتومبیلها، دودکش کارخانهها و پسابهای صنعتی و حتی خانگی در جهت حذف مواد سمی و آلوده کننده مورد استفاده قرار میگیرند [2]. کاتالیستها را میتوان به دو گروه همگن[1] و ناهمگن[2] طبقبهبندی کرد. در کاتالیستهای همگن، کاتالیست و مواد واکنشدهنده همگی در یک فاز قرار دارند و هیچ مرز مشخصی بین آنها نمیتوان در نظر گرفت. فازها میتوانند مایع، جامد و یا گازی باشند. در حالیکه کاتالیست ناهمگن و واکنشگرها در دو فاز مجزا کنار هم قرار دارند. در این فرآیند، واکنش در جایی نزدیک و یا روی سطح بین فازها اتفاق میافتد. در اکثر موارد، کاتالیست ناهمگن ترکیب جامدی است که از تماس با آن واکنشگرها وارد واکنش می شوند؛ در نتیجه در بسیاری از مواقع از عبارت (کاتالیست تماسی) برای کاتالیست ناهمگن استفاده میشود [3].
شکل (1- 2) کاتالیز شدن همگن و ناهمگن [2]
فرایندهای زیادی در شیمی وجود دارد که در آنها از کاتالیستها برای بدست آوردن فرآوردههای مورد نظر استفاده میشود. فرایند هابر- بوش[3] یکی از برجستهترین فرایندهای کاتالیز شده بصورت ناهمگن است که در آن با استفاده از نیتروژن و هیدروژن، آمونیاک تولید میشود. با استفاده از این فرایند هر ساله بیش از پانصد میلیون تن کود تولید میشود [4]. تخمین زده میشودکه این کودها غذای بیش از 27 درصد از مردم جهان را در قرن گذشته تامین کردهاند. در صورت عدم توسعه این فرایند، جمعیت جهان در سال 2008 بجای 6 میلییارد، چیزی در حدود 3 میلییارد میبود [5]. فرایند مونسانتو نیز یکی از مهمترین فرایندهای کاتالیست شده بصورت همگن است که بوسیله آن حدود 2 میلیون تن استیک اسید از متانول در سال تولید میشود [4]. البته کاتالیستهای ذکر شده میتوانند به صورت کاتالیستهای زیستی[4] نیز وجود داشته باشند. کاتالیستهای زیستی را آنزیم[5] نیز مینامند. این مواد فوقالعاده پیچیده، فرآیندهای حیاتی مانندگوارش و سنتز سلولی را کاتالیز میکنند. عده زیادی از واکنشهای شیمیایی پیچیده که در بدن صورت میگیرد و برای حیات ما ضرورت دارد، به علت اثر آنزیمها در دمای بدن امکانپذیر میباشند. هزاران آنزیم وجود دارند که هر یک وظیفه خاصی را انجام میدهند. تحقیق درباره ساختار و عمل آنزیمها، نویدهای فراوانی درباره پیشرفت شناخت عوامل بیماری و مکانیسم فراهم مینماید.
1-2- نانوکاتالیستها و نانو ذرات کاتالیستی
برای آنکه کمبود سطح فعال در کاتالیستهای ناهمگن جبران شود، استفاده از یک بستر [6]در نقش تکیهگاه کاتالیست، ضروری است. بستر معمولاً یک ساختار متخلخل[7] با سطح فعال بالاست. کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیاد داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، میتواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آنکه سطحفعال نانوکاتالیستها بسیار بالاتر از کاتالیستهای معمولی است، سطح فعال یک نانوکاتالیست همواره از یک کاتالیست همگن پایینتر است (کاتالیست همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانو ذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگتر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیستها پلی میان کاتالیستهای همگن و ناهمگن ساخته است (شکل1-3) [6].
شکل (1- 3) نانوکاتالیست همانند پلی بین کاتالیست همگن و ناهمگن [6].
ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیستها هزینهبر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل میدهد، این مورد قابل چشمپوشی است. نانوکاتالیستها را میتوان براساس رفتار آنها به دو دستهی نانوکاتالیست با رفتار همگن و نانوکاتالیست با رفتار ناهمگن تقسیم کرد:
1-2-1- نانوکاتالیست با رفتار همگن
در رویکرد نانوکاتالیست همگن، نانو ذرات تهیه شده از فلزات واسطه را به صورت کلویید (ذرات معلق) در مخلوط واکنش پخش میکنند. معمولاً برای پیشگیری از تجمع نانو ذرات، از یک ماده پایدارکننده[8] استفاده میشود. یک پایدار کننده خوب، نه تنها نانوکاتالیست را در فرایند کاتالیستیکی (واکنش کاتالیستی) حفظ کرده، در عین حال فعالیت آن را کاهش نمیدهد. در پایان نیز میتوان نانو ذرات را از فرآورده نهایی واکنش جداسازی نمود. روش کاهش[9] یا همان احیای فلزات (گرفتن الکترون توسط کاتیون فلزی و تبدیل آن به اتم فلزی خنثی) روشی معمول برای سنتز کنترل شدهی نانوذرات به صورت کلویید در محلول است. فرآیند کاهش به دو صورت شیمیایی و الکتروشیمیایی اجرا میشود:
1- کاهش شیمیایی: معمولترین روش کاهش است که در آن نمک فلز مورد نظر در محلول با عوامل کاهنده مثل الکلها و سدیم بوروهیدرید (NaBH4) به اتم فلزی کاهش یافته و تبدیل به نانوذرهی فلزی میشود.
2- کاهش الکتروشیمیایی: در این روش بجای یک عامل کاهنده شیمیایی، از الکترونهای انباشته شده بر سطح الکترود استفاده میشود. در فرآیند کاهش الکتروشیمیایی از یک پیل متشکل از آند (محل اکسایش)، کاتد (محل کاهش) و الکترولیت (محلول نمکی دارای هدایت الکتریکی) استفاده میشود.
1-2-2- نانوکاتالیستهای با رفتار ناهمگن
کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیستها، بستر و کاتالیست با هم تشکیل یک نانوکامپوزیت میدهند که برای رسیدن به بهترین عملکرد مناسب است. به عنوان مثال میتوان به قرار گرفتن کاتالیست طلا بر سطح بستر تیتانیومدیاکسید یا آهناکسید اشاره کرد. این نانوکاتالیستها به ترتیب به صورت Au/TiO2 و Au/Fe2O3 نشان داده میشوند. این مواد، کاتالیستهای بسیار خوبی برای اکسایش کربنمنوکسید (آلایندهای بسیار مضر و خطرناک) به کربندیاکسید هستند. از آنجا که دیاکسیدکربن خطر کمتری دارد، استفاده از این نانوکاتالیست میتواند خطرات زیستمحیطی مونواکسیدکربن را کاهش میدهد.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
[سه شنبه 1399-11-21] [ 06:59:00 ب.ظ ]
|