کاتالیست

در جهان صنعتی امروز، بهینه‌سازی واکنش‌های شیمیایی و کاهش مصرف انرژی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. کاتالیست‌ها، به عنوان مواد تسریع‌کننده واکنش‌های شیمیایی بدون مصرف شدن در طی فرآیند، نقش حیاتی در بسیاری از صنایع ایفا می‌کنند. همزمان با پیشرفت فناوری و نیاز روز افزون به بهبود کارایی و کاهش هزینه‌ها، نانومواد به دلیل خواص منحصر به فرد خود، به عنوان یک گزینه مناسب برای استفاده در کاتالیست‌ها مطرح شده‌اند.

کاتالیست چیست؟

کاتالیست‌ها موادی هستند که با کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهند. این مواد به دو دسته کاتالیست‌های همگن و ناهمگن تقسیم می‌شوند. کاتالیست‌های همگن در فاز مشابه با واکنش‌دهنده‌ها قرار دارند و معمولاً در محلول‌ها به کار می‌روند، در حالی که کاتالیست‌های ناهمگن در فاز متفاوت بوده و واکنش بر روی سطح آن‌ها انجام می‌شود.

کاتالیست‌ها در صنعت نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند که در زیر برخی از کاربردهای اصلی کاتالیست‌ها در صنایع آورده شده است:

صنایع پتروشیمی

در این صنعت، کاتالیست‌ها برای تبدیل نفت خام و گاز‌های طبیعی به محصولات پتروشیمیایی مانند الکل‌ها، اتیلن، پروپیلن و سایر مشتقات هیدروکربنی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، کاتالیست‌های آلومینا و سیلیکا برای کاتالیز واکنش‌های کراکینگ و تبدیل شیمیایی در فرآیندهای تولید بنزن و اتیلن استفاده می‌شوند.

صنایع فرآوری مواد غذایی

در فرآوری مواد غذایی، کاتالیست‌ها برای افزایش سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در فرآیند هیدروژناسیون روغن‌های گیاهی برای تولید روغن‌های نیمه جامد، کاتالیست‌های نیکل، پالادیم و روی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

صنایع خودروسازی

کاتالیست‌ها در سیستم‌های تصفیه اگزوز خودروها برای کاهش انتشار گازهای زائدی مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx)، دی اکسید کربن (CO) و هیدروکربن‌های ناقص احتراق (HC) استفاده می‌شوند. کاتالیست‌های پلاتین و رودیم برای تبدیل این گازها به مواد غیرضروری مانند آب و دی اکسید کربن به کار می‌روند.

صنایع نیروگاهی

در نیروگاه‌ها، کاتالیست‌ها برای کاهش آلودگی هوا از طریق تبدیل اکسیدهای نیتروژن و سولفور به ترکیبات غیرضروری مانند آب و دی اکسید کربن استفاده می‌شوند.

صنایع الکترونیک و نانوتکنولوژی

در این صنایع، کاتالیست‌های نانوساختار مانند گرافن و نانوذرات فلزی برای واکنش‌های شیمیایی و الکتروشیمیایی در فرآیندهای تولید مواد نیمه‌رسانا و نانومواد استفاده می‌شوند.

نانو مواد

نانومواد، موادی با ابعاد نانومتری (یک تا صد نانومتر) هستند که به دلیل نسبت سطح به حجم بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این مواد به دلیل خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و نوری استثنایی خود، کاربردهای گسترده‌ای در علوم و فناوری‌های مختلف پیدا کرده‌اند. برخی از عوامل موثر بر خواص کاتالیستی بودن نانومواد عبارتند از:

اندازه ذرات

اندازه نانوذرات به طور مستقیم بر سطح واکنش‌پذیری ذرات و تعداد نقاط کاتالیزوری اثر دارد. اندازه کوچکتر ذرات نسبت به سایز نقاط کاتالیزوری، باعث بهبود فعالیت کاتالیستی می‌شود.

ساختار کریستالی

ساختار کریستالی نانومواد می‌تواند تأثیر زیادی بر فعالیت کاتالیستی داشته باشد. ساختارهایی که از نظر ساختاری بیشترین تطابق را با نقاط کاتالیزوری دارند، فعالیت بیشتری را نشان می‌دهند.

توزیع اندازه ذرات

توزیع اندازه ذرات نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. توزیع یکنواخت ذرات نانویی منجر به بهبود قابل توجهی در فعالیت کاتالیزور می‌شود.

مساحت سطحی

 افزایش مساحت سطح ذرات در سایز نانو، تعداد نقاط کاتالیزوری را افزایش داده و فعالیت کاتالیستی را بهبود می‌بخشد.

ترکیب شیمیایی

انتخاب اجزای کاتالیستی و ترکیبات شیمیایی در بهبود فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیست اثر بسزایی دارد.

استحکام پیوندها

استحکام پیوندهای بین ذرات نانویی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. پیوندهای قوی می‌توانند استحکام و پایداری کاتالیست را در شرایط مختلف بهبود بخشند.

برخی از انواع نانومواد شرکت نانوسنجش با قابلیت کاربرد در صنایع مختلف از جمله پتروشیمی 

نانوذرات اکسید روی(ZnO-NP )

نانوذرات اکسید فلز (NPs) به دلیل استفاده گسترده در طیف وسیعی از صنایع، داروها و نانو بیوتکنولوژی به خوبی شناخته شده­اند. همچنین آنها یکی از کارآمدترین سیستم های کاتالیزوری قابل بازیافت به شمار می­روند. قابل توجه است که در تهیه کاتالیزور ناهمگن از مواد دقیقاً تعریف شده­ای استفاده می­شود که علاوه بر کمک به حل مسائل انرژی و زیست محیطی جهان، مجموعه گسترده­ای از فرصت­های تازه را برای بررسی و ایجاد کاتالیزورهای جدید ارائه می‌دهد. با توجه به ساختار، ZnO-NP  به عنوان نانوکاتالیست‌های کارآمد برای انواع فرآیندهای آلی مورد بهره برداری قرار گرفته‌اند. از ویژگی شاخص ZnO-NP ، می­توان به نسبت سطح به حجم افزایش یافته آن اشاره کرد. با بررسی اکسیدهای مختلف فلزات مختلف، اکسید روی به دلیل سطح بزرگتر و اثربخشی کاتالیزوری به عنوان مناسب ترین کاتالیزور برای کاهش زمان و دمای مورد نیاز برای سنتز یکی از بهترین گزینه­ هاست.

نانوذرات اکسید مس( CuO-NP)

نانوساختارهای اکسید مس (CuO) یک گروه جذاب از نانومواد را تشکیل می‌دهند که موضوع تحقیقات فشرده در دو دهه گذشته را به خود اختصاص داده­اند. این نانومواد به دلیل دسترسی آسان و هزینه کم برای کاربردهای مختلفی از جمله جاذب گاز، حسگرهای گاز، مواد الکترود و کاتالیزورهای ناهمگن کارآمد مورد توجه قابل توجهی قرار گرفته‌اند. واکنش سطحی CuO و قابلیت اکسیداسیون آن به منظور بهبود فعالیت کاتالیزوری از اهمیت ویژه­ای در صنعت برخوردار است.

نانوذرات گرافن ( G-NP)

اکسید گرافن را می‌توان با اکسیداسیون گرافیت به دست آورد که منجر به ایجاد تعداد زیادی از گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار در ساختار کربن می‌شود. از یک طرف این گروه‌ها رسانایی الکتریکی گروه‌های کربن را کاهش می‌دهند و از طرف دیگر می‌توانند به عنوان مکان‌های هسته زایی عمل کنند. نانو ذرات در طول آماده سازی کاتالیزور، برخی از گروه‌های عاملی را کاهش داده و در نتیجه رسانایی افزایش می‌یابد. بسیاری از مکان‌های هسته‌زایی در ساختار گروه‌های عاملی مسئول پراکندگی بهتر و تولید نانوذرات کوچکتر هستند. به دلیل اهمیت سطح بسیار فعال کاتالیزورها می­توان از اکسید گرافن به عنوان کاتالیزور استفاده کرد. برای افزایش رسانایی اکسید گرافن فرآیندهای کاهش اغلب انجام می‌شود که طی آن بسیاری از گروه های عاملی حذف می‌شوند. کاهش GO می‌تواند تعداد مکان‌های هسته زایی را کاهش و در نتیجه منجر به پراکندگی بهتر و افزایش اندازه ذرات کاتالیست شود. عوامل فوق می‌توانند بر فعالیت کاتالیست‌های تهیه شده تأثیر بگذارند .

نانوذرات دی‌سولفید مولیبدن ( MoS2-NP)

دی‌سولفید مولیبدن که متعلق به دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TMDs) است، امروزه توجه زیادی را به خود جلب کرده است و به دلیل ساختار اتمی منحصر به فرد، عملکرد قابل توجه، هزینه کم و فراوانی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. شیمی کاتالیزوری مولیبدنیت (MoS2) بسیار متنوع بوده و چندین دهه است که به عنوان یک کاتالیزور تصفیه آب در پالایشگاه‌های نفت استفاده می‌شود. از ویژگی­های این کاتالیزور در تصفیه آب می­توان به حذف انتخابی اتم های گوگرد و نیتروژن از هیدروکربن‌های نفت خام  و کنترل هیدروژناسیون برای تولید سوخت‌های با ارزش و فوق العاده تمیز اشاره کرد. اخیراً، مشخص شده است که MoS2 به عنوان یک کاتالیزور ارزان قیمت، فلز غیر نجیب، برای واکنش تکامل هیدروژن (HER) در سلول‌های الکتروشیمیایی  برای تقسیم آب نیز به خوبی عمل می‌کند.