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]. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

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.