نانوکاتالیستها و نانوذرات کاتالیستی

کاتالیست، گونه ای است که سرعت واکنش را افزایش می دهد. هدف شیمیدانان، تولید کاتالیستی با فعالیت و (Activity) بازده بالا، گزینش پذیری کامل (Yield) ، قابلیت جداسازی و بازیابی از مخلوط واکنش، مصرف انرژی کم (Selectivity) و عمر بالا است. عملکرد کاتالیست با کنترل متغییرهایی همچون اندازه، ساختار، توزیع فضایی و الکترونی، ترکیب سطح، پایداری گرمایی و شیمیایی می تواند تعیین شود.

بازده بالا، صرفه ی اقتصادی، هدر رفت کم مواد شیمیایی ، مصرف گرما و انرژی پایین، ایمنی بالا و استفاده ی بهینه از مواد شیمیایی اولیه، از مزایای نانوکاتالیست است. برای صرفه جویی اقتصادی و استفاده ی بهینه از نانوکاتالیست، معمولا آن را به صورت کامپوزیت می سازند و سطح آن را مورد اصلاح شیمیایی قرار می دهند. تحقیقات در حوزه ی نانوکاتالیست، همواره یکی از بحث های جذاب در نانوشیمی و شیمی سبز   بوده است. شیمی سبز به واکنش های شیمیایی سالم با محصولات بی خطر و با حداکثر بازده (حداقل مصرف ماده و انرژی) می پردازد و نانوکاتالیست می تواند ما را به سوی این آرمان سوق دهد.

مقدمه:

کاتالیست، گونه ای است که انرژی فعال سازی واکنش )انرژی اولیه برای انجام واکنش( را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می دهد. فلزات واسطه ی جدول تناوبی عناصر، رایج ترین کاتالیست ها هستند. کاتالیست ها به دو دسته ی همگن ، تقسیم می شوند. کاتالیست همگن (Heterogeneous) و ناهمگن (Homogeneous) تک اتم، یون یا مولکول است و با واکنش دهنده ها هم فاز می باشد. به بیان دیگر، ذرات کاتالیست همگن می توانند به Recovery راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا تولید و بازیابی ) ) می شود. فعالیت بسیار بالا، گزینش پذیری و بازده خوب ، از محاسن این گونه از کاتالیست می باشد. بهبود در عملکرد کاتالیست های همگن می تواند با اتصال گروه های متفاوت آلی و معدنی به ذره اصلی فراهم شود. مشکل اصلی در فناوری کاتالیست های همگن در آنجاست که پس از اتمام واکنش، جداسازی کاتالیست حل شده از مخلوط نهایی کار ساده ای نیست. این مشکل به ویژه در زمانی که کاتالیست در مقادیر کم مصرف می شود، خود یک چالش بزرگ است. کاتالیست ناهمگن، با واکنش دهنده ها در یک فاز نیست. اندازه و خصوصیت ذرات کاتالیست ناهمگن به صورتی است که به راحتی در محیط واکنش حل نمی شود؛ از این رو فعالیت آن محدود می گردد (بازده کل واکنش کاهش می یابد). برخلاف کاتالیست های همگن، کاتالیست های ناهمگن به راحتی (با صرف هزینه، زمان و مواد کمتر) از مخلوط واکنش جدا می شوند و موجب ناخالصی محصولات نمی گردند. برای آنکه کمبود سطح فعال در این گونه ترکیبات جبران شود، استفاده از یک بستر در نقش تکیه گاه کاتالیست، ضروری است. بستر معمولا یک ساختار متخلخل (Support) با سطح (Porous) فعال بالاست.

تفاوت نانوکاتالیستها با کاتالیستهای معمولی:  

کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیاد داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آنکه سطح فعال نانوکاتالیست ها بسیار بالاتر از کاتالیست های معمولی است، سطح فعال یک نانوکاتالیست همواره از یک کاتالیزور همگن پایین تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگ تر 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 نانوکاتالیست ها پلی میان کاتالیست های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست ها هزینه بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می دهد، این مورد قابل چشم پوشی است.

 شکل 2- مزایا و معایب نانوکاتالیست های همگن و ناهمگن

 دسته بندی نانوکاتالیست ها را براساس نوع نانوماده ی به کار رفته در جدول زیر می بینید:

به طور کلی ابعاد نانو، شرایطی عالی برای علم کاتالیست مهیا کرده است. سطح فعال بالا و گزینش-پذیری عالی در نانوکاتالیست ها باعث افزایش سرعت و بازده واکنش می شود. نانوکاتالیست، محاسن کاتالیست های همگن (سطح بالا) و ناهمگن (قابلیت جداسازی) را در خود جمع کرده است. ساختارهای نانوکاتالیستی بسیار متنوع هستند؛ همچنین جداسازی و تغییر در عملکرد آن ها توسط اصلاح شیمیایی آسان است. هرچند روند تحقیقات در زمینه-ی سازوکار واکنش های نانوکاتالیست ها، (Mechanism) کند و پراکنده بوده است، تحقیقات در سایر جنبه های این علم، به سرعت ادامه دارد و بر جذابیت آن روز به روز افزوده می شود.

از میان انواع نانوکاتالیست ها ویژگی های فیزک وشیمیایی ناذرات سیلیکا در ذیل آورده شده است:

Silicon Dioxide, Silica (SiO2) Nanoparticles – Properties, Applications

Introduction

Silicon dioxide nanoparticles, also known as silica nanoparticles or nanosilica, are the basis for a great deal of biomedical research due to their stability, low toxicity and ability to be functionalized with a range of molecules and polymers.

Nano-silica particles are divided into P-type and S-type according to their structure. The P-type particles are characterized by numerous nanopores having a pore rate of 0.61 ml/g. The S-type particles have a comparatively smaller surface area. The P-type nano-silica particles exhibit a higher ultraviolet reflectivity when compared to the S-type. Silicon belongs to Block P, Period 3 while oxygen belongs to Block P, Period 2 of the periodic table.

Chemical Properties

The following tables list the chemical properties of silicon dioxide.

Physical Properties

Silicon dioxide nanoparticles appear in the form of a white powder. The table below provides the physical properties of these nanoparticles.

Thermal Properties

The thermal properties of silicon dioxide nanoparticles are given in the table below:-

Applications

The following are the chief applications of silica nanoparticles:

• As an additive for rubber and plastics
• As a strengthening filler for concrete and other construction composites
• As a stable, non-toxic platform for biomedical applications such as drug delivery and theranostics

منبع :

1. http://edu.nano.ir

2. AzoNano

3. Http://www.iranscience.org