نقش راهبردی نانوکاتالیست های پیشرفته در فناوری نانو و رفع نیاز صنایع کشور

به گزارش سیپکس نانوکاتالیست ها که نانوموادی با خاصیت کاتالیزری و در ابعاد نانومقیاس (زیر ۱۰۰ نانومتر) هستند ویژگی های منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نه تنها برای کاربردهای تحقیقاتی بلکه برای فرآیندهای کاتالیزوری صنعتی نیز گزینه های بسیار مناسبی هستند. در داخل نیز نانوکاتالیست های پیشرفته جزء برترین محصولات راهبردی کشور در حوزه فناوری نانوی ایران محسوب می شود و شرکت های توانمند متعددی در زمینه تولید نانوکاتالیست های پیشرفته فعالیت می کنند و در راستای 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 گروه های زیر آنها را تقسیم بندی کرد:

*نانومواد مبتنی بر کربن مانند فولرین ها گرافن نانولوله های کربنی

* نانوذرات فلزی به ویژه Fe Ag Au و Co

* نانوذرات اکسیدهایی مانند ZnO و TiO۲

* نانومواد تخصصی دیگر مانند نقاط کوانتومی.

برخی از کاتالیست های مبتنی بر نانوذرات به ویژه آنهایی که 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 حفاظت از محیط زیست استفاده شده اند.

در میان این کاربردها استفاده از نانوکاتالیست ­ها در کاتالیز واکنش های محیط زیستی از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. 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 متعددی 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 مکان های فعال بیشتری برای انجام واکنش ها وجود دارد که منجر به افزایش فعالیت کاتالیستی و در نتیجه نرخ های بالاتر واکنش و بهبود کارایی 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 کند. این ویژگی به ویژه در صنایعی که خلوص محصول و عملکرد آن عوامل حیاتی هستند بسیار ارزشمند است. همچنین می توان فعالیت کاتالیستی و گزینش پذیری نانوکاتالیست ­ها را با تنظیم خواص شیمیایی و فیزیکی آنها تنظیم کرد.

نانوکاتالیست ها دارای استحکام مکانیکی قوی و مقاومت بالایی در برابر 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 استفاده کرد.

نانوکاتالیست ها به ویژه 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 مهم است.

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 خاص نانوذرات اکسید فلزی مانند ZnO TiO۲ و CeO۲ به طور 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 ضروری است زیرا مکان های 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 مکان های فعال ویژگی 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 تسهیل می کند.

افزایش کارایی 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 تسهیل می کند و منجر به سینتیک واکنش سریع تر و بهره ­وری بالاتر می شود.

امکان تأثیرگذاری بر مسیرهای واکنش و توزیع محصول به ویژه در واکنش های چند مرحله ای پیچیده امکان سنتز انتخابی ترکیبات مورد نظر را فراهم می کند 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 ممکن است مورفولوژی و حالت های الکترونیکی متفاوتی را نشان دهند. به این ترتیب واکنش یکسان می تواند فعالیت ها 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 به ویژه هنگام در نظر گرفتن شیوه های صنعتی پایدار و اصول شیمی سبز مرتبط است.

روندها و تحولات آتی در نانوکاتالیست ­ها در صنایع

توسعه و استفاده از نانوکاتالیست ها در مسیر رشد و نوآوری مداوم در شیمی صنعتی قرار دارد. پیشرفت ها در سنتز نانومواد تکنیک های مشخصه­ یابی و مدل سازی محاسباتی طراحی نانوکاتالیست هایی با ویژگی ها و عملکردهای پیشرفته را هدایت می کنند.

به نقل از ستاد نانو انجام تحقیقات گسترده برای درک بهتر شرایط واکنش بهینه و ماهیت مکان های فعال برای استفاده مناسب از کاتالیست ­ها در صنعت ضروری است. 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 متعدد هستند. این نانوکاتالیزورهای هوشمند می توانند فرآیندهای صنعتی را ساده کنند تولید زباله را کاهش دهند و کارایی 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 با توجه به تغییرات دما با پتانسیل زیاد در فرآیندهای تولید هیدروژن ارائه دهند.

در پایان باید گفت که استفاده از نانوکاتالیست ها به لطف مزایای متعدد عملی و پیشرفت های مداوم در علم نانو و نانوکاتالیست به رشد خود در شیمی صنعتی ادامه می دهد.

پایان خبر سیپکس