نقش راهبردی نانوکاتالیست های پیشرفته در فناوری نانو و رفع نیاز صنایع کشور
مهندس وب: توسعه نانومواد پیشرفته، انقلابی در حوزه های مختلف همچون نانوکاتالیست ها به وجود آورده است که نقش برجسته ی در ایجاد تحولات شیمیایی و رفع نیازهای صنایع بزرگ و ثروت آفرین ایفا می کند.
به گزارش مهندس وب به نقل از ایسنا، نانوکاتالیست ها که نانوموادی با خاصیت کاتالیزری و در ابعاد نانومقیاس (زیر ۱۰۰ نانومتر) هستند، خاصیت های منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نه فقط برای کاربردهای تحقیقاتی بلکه برای فرآیندهای کاتالیزوری صنعتی نیز گزینه های بسیار مناسبی هستند. در داخل نیز، نانوکاتالیست های پیشرفته، جزء بالاترین محصولات راهبردی کشور در عرصه فناوری نانوی ایران شمرده می شود و شرکت های توانمند مختلفی در حوزه تولید نانوکاتالیست های پیشرفته فعالیت می نمایند و در امتداد رفع نیاز صنایع، تولیدات حیاتی و ارزشمندی ارائه می دهند.
نانوکاتالیست های صنعتی
نانوکاتالیست های رایج، انواع مختلفی را شامل می شوند که می توان به گروههای زیر آنها را تقسیم بندی کرد:
*نانومواد مبتنی بر کربن مانند فولرین ها، گرافن، نانولوله های کربنی
* نانوذرات فلزی خصوصاً Fe، Ag، Au، و Co
* نانوذرات اکسیدهایی مانند ZnO و TiO۲
* نانومواد تخصصی دیگر مانند نقاط کوانتومی.
تعدادی از کاتالیست های مبتنی بر نانوذرات، خصوصاً آنهائیکه دارای فلزات نجیب هستند (به عنوان مثال، نانوخوشه های طلا، نانوذرات Pd و Pt و …)، قبلاً در بخش های مختلف صنعتی مانند پالایشگاه ها، کارخانه های پتروشیمی، فرآوری مواد غذایی و صیانت از محیط زیست استفاده شده اند.
در بین این کاربردها، استفاده از نانوکاتالیست ها در کاتالیز واکنش های محیط زیستی از اهمیت قابل توجهی برخوردارست. به عنوان مثال، نانوکامپوزیت هایی مانند Fe۳O۴@SiO۲–Ag، Au@SiO۲، Au/TiO۲ و بسیاری دیگر از نانوکاتالیست های فلزات نجیب برای تصفیه آب استفاده شده اند.
مزایای نانوکاتالیست ها نسبت به مواد معمولی
نانوکاتالیست ها مزایای مختلفی نسبت به نمونه های معمولی خود دارند که آنها را برای کاربردهای صنعتی بسیار مطلوب می کند. به لطف نسبت سطح به حجم بالای آنها، محلهای فعال بیشتری برای انجام واکنش ها وجود دارد که منجر به افزایش فعالیت کاتالیستی و در نتیجه نرخ های بالاتر واکنش و بهبود کارآیی می شود.
خواص آنها وابسته به اندازه است و می تواند به خوبی تنظیم شود تا مسیرهای واکنش را کنترل کند و امکان کنترل دقیق بر نتیجه شیمیایی مورد نظر را فراهم آورد. این خاصیت خصوصاً در صنایعی که خلوص محصول و عملکرد آن عوامل حیاتی هستند، بسیار باارزش است. همین طور می توان فعالیت کاتالیستی و گزینش پذیری نانوکاتالیست ها را با تنظیم خواص شیمیایی و فیزیکی آنها تنظیم کرد.
نانوکاتالیست ها دارای استواری مکانیکی قوی و مقاومت بالایی در مقابل دما و حلال های آلی هستند. علاوه بر این، آنها اغلب پایداری، طول عمر طولانی و کاهش نیاز به جایگزینی کاتالیست را نشان می دهند که منجر به صرفه جویی در هزینه و پایداری بیشتر در عملیات صنعتی می شود.
کاربرد نانوکاتالیست ها در فرآیندهای صنعتی
تطبیق پذیری نانوکاتالیست ها آنها را برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی در بخش های مختلف مناسب می کند. به عنوان مثال، در صنعت پتروشیمی، نانوکاتالیست ها را می توان در فرآیندهایی مانند هیدروژناسیون، هیدروژن زدایی و هیدروکراکینگ برای تولید سوخت و مواد شیمیایی بهره برد.
نانوکاتالیست ها خصوصاً در سنتز مولکول های پیچیده و مواد واسطه در صنعت داروسازی بسیار مورد توجه هستند. توانایی آنها در تسهیل تشکیل پیوند انتخابی و کنترل کایرالیته در توسعه داروهای جدید، بسیار اهمیت دارد.
علاوه بر این، نانوکاتالیست ها آلاینده های مضر را تخریب می کنند و کاربردهایی در فرآیندهای محیط زیستی مانند تصفیه فاضلاب پیدا می کنند. به طور دقیقتر، نانوذرات اکسید فلزی مانند ZnO، TiO۲ و CeO۲ به شکل گسترده برای تجزیه آلاینده ها در محلول های آبی مطالعه شده اند.
در فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته کاتالیزوری (AOPs)، واکنش های سطحی برای تخریب مؤثر آلاینده ها لازمست، برای اینکه محلهای سطح فعال با اکسیدان هایی مانند ازن و پراکسید هیدروژن تعامل دارند و رادیکال های هیدروکسیل تولید می کنند. سطح ویژه بزرگ و چگالی بالای محلهای فعال، خاصیت های ضروری نانوکاتالیست ها در AOPها برای تجزیه و حذف مؤثر آلاینده ها هستند.
علاوه بر این، نانوذرات مغناطیسی توجه فزاینده ای را به خود جلب کرده اند و در واکنش های مهمی مانند کوپلینگ سوزوکی مورد استفاده قرار گرفته اند. استفاده از نانوذرات مغناطیسی، جداسازی نانوکاتالیست ها از توده را راحت می کند.
افزایش کارآیی و گزینش پذیری با به کارگیری نانوکاتالیست های پیشرفته
یکی از مزایای کلیدی نانوکاتالیست ها، توانایی افزایش بازده و انتخاب پذیری واکنش های شیمیایی است. اندازه کوچک و سطح بالای آنها، انتقال جرم و تماس بین کاتالیست ها و واکنش دهنده ها را راحت می کند و منجر به سینتیک واکنش سریع تر و بهره وری بالاتر می شود.
امکان تأثیرگذاری بر مسیرهای واکنش و توزیع محصول، خصوصاً در واکنش های چند مرحله ای پیچیده، امکان سنتز انتخابی ترکیبات مورد نظر را فراهم می آورد و در عین حال تشکیل محصولات ناخواسته را به حداقل می رساند.
عملکرد نانوکاتالیستی نیز تحت تأثیر شکل و هندسه مواد شرکت کننده است. نانوذرات مختلف ممکنست مورفولوژی و حالت های الکترونیکی متفاوتی را نشان دهند. به این ترتیب، واکنش یکسان می تواند کارها و گزینش پذیری متفاوتی را بسته به نانوکاتالیست مورد استفاده نشان دهد.
علاوه بر این، در مقایسه با کاتالیست های معمولی، نانوکاتالیست های پیشرفته می توانند مصرف انرژی را کاهش دهند و اثرات محیط زیستی را به حداقل برسانند. این امر خصوصاً هنگام درنظر گرفتن شیوه های صنعتی پایدار و اصول شیمی سبز مرتبط می باشد.
روندها و تحولات آتی در نانوکاتالیست ها در صنایع
توسعه و استفاده از نانوکاتالیست ها در راه رشد و نوآوری مداوم در شیمی صنعتی قرار دارد. پیشرفت ها در سنتز نانومواد، مهارتهای مشخصه یابی و مدل سازی محاسباتی، طراحی نانوکاتالیست هایی با خاصیت ها و عملکردهای پیشرفته را هدایت می کنند.
به نقل از ستاد نانو، انجام تحقیقات گسترده برای درک بهتر شرایط واکنش بهینه و ماهیت محلهای فعال جهت استفاده مناسب از کاتالیست ها در صنعت، ضرورت دارد. ادغام نانوکاتالیست ها با ریزراکتورها و سیستم های جریان پیوسته، پتانسیل بالایی برای بهینه سازی شرایط واکنش و مقیاس پذیری فرآیندها دارد.
یکی از زمینه های امیدوارکننده، توسعه نانوکاتالیست های چند منظوره یا «هوشمند» است که قادر به انجام واکنش های کاتالیزوری گوناگون هستند. این نانوکاتالیزورهای هوشمند می توانند فرآیندهای صنعتی را ساده کنند، تولید زباله را کاهش دهند و کارآیی کلی را بهبود بخشند.
نانوکاتالیست های هوشمند به دست آمده از ترکیب پلیمرهای حساس به حرارت نیز می توانند امکان کنترل فعالیت کاتالیزوری و پیشرفت واکنش را باتوجه به تغییرات دما، با پتانسیل زیاد در فرآیندهای تولید هیدروژن عرضه کنند.
در آخر باید اظهار داشت که استفاده از نانوکاتالیست ها به لطف مزایای گوناگون عملی و پیشرفت های مداوم در علم نانو و نانوکاتالیست، به رشد خود در شیمی صنعتی ادامه می دهد.
منبع: مهندس وب
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب