الگویی جدید برای کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر کاتالیست ها
به گزارش تجهیزات جانبی، محققان با توسعه کاتالیستی با ساختار نیمه مدفون و ترکیب اتمی-نانوذره ای، عملکردی فراتر از استانداردهای سنتی به نمایش گذاشتند. در مقاله ای که در Science China Press انتشار یافته است، محققان موفق به توسعه راهکاری نوین برای حل یکی از اساسی ترین چالش های کاتالیست های فلزی پایه دار شده اند: دستیابی همزمان به فعالیت بالا و پایداری طولانی مدت در واکنش های شیمیایی پیچیده مانند هیدروژناسیون انتخابی.
به گزارش تجهیزات جانبی به نقل از ایسنا، کاتالیست های فلزی پایه دار کلاسیک به طور معمول از گونه های فلزی فعال تشکیل شده اند که روی سطح تکیه گاه هایی با سطح ویژه بالا مانند کربن، زئولیت، اکسیدهای فلزی یا سیلیکا پراکنده شده اند. بااینکه این نوع کاتالیست ها به سبب سطح در معرض بالای فلزات فعال از نظر عملکرد کاتالیستی بسیار مؤثر هستند، اما پایداری آنها خصوصاً تحت شرایط سخت واکنشی، محدود است. دلیل این مساله انرژی سطحی بالای نانوذرات یا اتم های منفرد فلزی و همین طور ضعف در برهم کنش بین فلز و تکیه گاه است. این کاتالیست ها همین طور در معرض تغییرات ساختاری مانند تغییر اندازه و شکل در طول واکنش هستند که می تواند انتخاب پذیری آنها را نیز بطور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد.
برای حل این مشکل، پژوهشگران در سالیان اخیر به روش کپسوله سازی فلزات در مواد مقاومی مانند اکسیدهای غیرآلی، کربن یا چارچوب های فلزی-آلی (MOF) روی آورده اند. این تکنیک با محصورکردن ذرات فلزی در نانوپوشش ها، از تجمیع و مهاجرت آنها جلوگیری کرده و سبب افزایش پایداری می شود. اما این ساختارها نیز معایب خاص خودرا دارند:
* کاهش فعالیت کاتالیستی به سبب ضخامت لایه پوششی؛
* حساسیت نسبت به آب یا اسید در بعضی واکنش ها؛
* دشواری در تولید انبوه با هزینه پایین و کنترل ساختاری دقیق.
در این مطالعه، محققان روشی چهار مرحله ای با عنوان پوشش دهی – آغشته سازی – پیرولیز – اچ را به کار گرفتند تا کاتالیستی جدید با نام Ru-Al₂O₃@CN-A توسعه دهند. این کاتالیست از تلفیقی از اتم های منفرد روتنیوم (Ru) و نانوذرات پخش شده Ru تشکیل شده است که درون یک لایه نیتروژن دار از کربن تعبیه شده اند.
آنچه این ساختار را منحصربه فرد می کند، اثر هم افزایی میان اتم های منفرد و نانوذرات است:
* اتم های منفرد Ru مسئول جذب و شکستن مولکول های هیدروژن هستند.
* نانوذرات Ru به فعال سازی مولکول کوینولین (Quinoline) می پردازند.
* اتم های H آزاد شده می توانند مستقیماً واکنش داده یا به سوی نانوذرات مهاجرت کنند تا پروسه هیدروژناسیون تکمیل شود.
این اثر هم افزایی در کنار ساختار نیمه مدفون کاتالیست، به آن امکان می دهد تا عملکردی قابل توجه در واکنش هیدروژناسیون انتخابی کوینولین داشته باشد.
به نقل از ستاد نانو، نتایج تجربی، تحلیل های ساختاری و محاسبات نظری مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT) همگی نشان می دهند که این ساختار ترکیبی می تواند همزمان به فعالیت بالا و پایداری شیمیایی قابل توجه برسد.
محققان تاکید دارند که این موفقیت می تواند الگویی نو برای طراحی کاتالیست هایی باشد که محدودیت های ساختارهای کلاسیک را پشت سر گذاشته اند. در عرصه هایی نظیر سنتز شیمیایی، تبدیل انرژی و صیانت از محیط زیست، استفاده از این رویکرد می تواند سبب افزایش بازده، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر فرآیندهای کاتالیستی شود.
منبع: 93z.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب