کاتالیست ماده ای است که سرعت واکنش های شیمیايی را از طريق کاهش انرژی فعالسازی، افزايش می دهد بدون اينكه خود در آن ها شرکت کند.
به عبارتی ديگر کاتالیست ماده ای است که فعل و انفعالات شیمیايی را سرعت می بخشد بدون اينكه خودش در فعل و انفعال مصرف شود .
گرچه میزان کاتالیست نسبت به مواد اولیه وزن کمی دارد اما قلب واکنش محسوب می شود و انتخاب درست يک کاتالیست برای يک واکنش از اهمیت ويژهای برخوردار است.
A + B + C ¾® AC + B
C در اینجا کاتالیست بوده و درنهایت بدون تغییر باقی میماند.
AC + B ¾® AB + C
انواع کاتالیست ها
۱-کاتالیست همگن(Homogeneous ):
هنگامی كه کاتالیست ها با واکنش دهنده ها در يک فاز باشند هموژن نامیده می شوند.بعبارت ديگر اگر کاتالیست به صورت محلول در محیط واکنش باشد به آن کاتالیست همگن(هموژن) می گويند.
کاتالیست همگن تک اتم، يون يا مولكول است و با واکنش دهنده ها هم فاز می باشد. به بیان ديگر، ذرات کاتالیست همگن می توانند به راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا بازيابی می شوند.
کاتالیست های همگن دارای مزایایی همچون:
گزینش پذیری بالا، عدد تبدیل بالا و بهینه سازی فعالیت کاتالیستی ساده هستند. به عنوان مثال، به راحتی می توان لیگاند و فلزات را در واکنش های کمپلکس فلزی کاتالیست شده تنظیم نمود، همچنین تنظیم شیمی گزینی، و انانتیوگزینی کاتالیست با تغییر مولکول های فعال کاتالیستی ممکن است. مشکل اصلی در فناوری کاتالیست های همگن در اینست که بعد از اتمام واکنش، جداسازی کاتالیست حل شده از مخلوط نهایی واکنش کار مشکل است.
این مشکل به ویژه در زمانی که کاتالیست در مقادیر کم مصرف میشود، خود تبدیل به یک چالش بزرگ می شود.
۲-کاتالیست ناهمگن(Heterogeneous):
کاتالیست های ناهمگن با واکنش دهنده ها در یک فاز نیستند و بنابراین برخلاف کاتالیست های همگن،کاتالیست های ناهمگن با صرف هزینه، زمان و مواد کمتر از مخلوط واکنش جدا می گردند و موجب ناخالصی محصولات نمی شوند، در مقابل اندازه و خصوصیت کاتالیست های ناهمگن شکلی است که به راحتی در محیط واکنش حل نمی شوند و همین امر فعالیت آن ها را محدود می کند و بازده کل واکنش کاهش می یابد. جهت جبران کمبود سطح فعال در این گونه ترکیبات، استفاده از یک بستر در نقش تکیه گاه کاتالیست، ضروری می باشد.
به طور کلی مزایا و معایب استفاده از کاتالیست های ناهمگن را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
مزایا
- استخراج ساده و آسان از محیط واکنش
- میتوان از مقدار اضافی کاتالیست برای کامل شدن واکنش استفاده کرد بدون اینکه مشکلی در خالص سازی ایجاد شود
- بازیافت و استفاده مجدد کاتالیست ها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است
- سازگار با محیط زیست است
معایب
- کند شدن سرعت واکنش
- تهیه بعضی از بسترهای جامد مانند پلیمرها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست
- کاهش پایداری بستر در شرایط ناملایم واکنش
- ممکن است بسترهای پلیمری ها واکنش هایی درونی انجام دهند
کاتالیست های ناهمگن به دو دستة عمده تقسیم می شوند:
- کاتالیزورهای توده ای
- کاتالیزورهای پایه ای
کاتالیزورهای توده ای
در صورتی که فاز فعال تشکیل دهندة کاتالیست تنها به صورت فلز یا پایة خالص باشد، کاتالیزور را توده ای گویند مانند کاتالیزور نیکل
کاتالیزورهای پایه ای
در این حالت معمولا سایت های فعال که عمدتاً عناصر واسطه می باشند، روی یک پایه معمولا سیلیس، اکسید تیتان، اکسید منیزیم، کربن فعال و… قرار میگیرد و پایه، نقش نگه دارندة عناصر را دارد. بیشتر کاتالیست های صنعتی از همین نوع می باشند.
۳-کاتالیست های زیستي یا آنزیم ها
آنزیم ها پروتئین هایی با وزن ۱۲۰۰۰ تا ۰۰۰/۰۰۰/۱ می باشندکه عمل کاتالیتیکی روی آنها با هدف خاص می باشد و در مکان های فعال انجام می گیرد.
. اینگونه کاتالیزورها در واکنش های مربوط به موجودات زنده و نیز در سنتز بسیاری از فرآورده های دارویی و غذایی شرکت دارند و دارای اهمیت قابل توجهی می باشند.
۴- نانوکاتالیست و نانوذرات کاتالیستی:
نانو کاتالیست ها با داشتن سايت های فعال و ايجاد حفره هايی در اطراف سايت های فعال که باعث تسهیل انجام واکنش میشوند توانسته اند بسیاری از مشكلات و نواقص کاتالیست را برطرف نمايد. تحقیقات نشان میدهد که کوچک کردن ابعاد در حد نانو متری تا حد زيادی میتواند کیفیت کاتالیست را ارتقا بخشد به گونه ای که با داشتن سايت های زياد و سطوح فعال فراوان، واکنش پذيری آنها نسبت به کاتالیست های معمولی افزايش يافته تا حدی که حتی آب که خود يک بازدارنده واکنش های کاتالیستی است میتواند فعالیت نانو کاتالیست ها را افزايش بخشد.
همچنین استفاده از نانو کاتالیست ها امكان کنترل اندازه ذرات، مساحت سطح و توزيع مناسب نانو فلز ها را مهیا می کند که در کاهش وکنترل مقدار قابل استفاده ی کاتالیست های با ارزش حائز اهمیت میباشد به عبارتی ديگر برای فلزات گران بهايی مانند پلاتین علاوه بر مصرف کمتر اين فلز گران بها بازده آنها را نیز میتوان افزايش داد در نتیجه به کاتالیستی موثرتر و ارزانتر دست یافت.
۵-نانوکاتالیست با رفتار همگن:
در رويكرد نانوکاتالیست همگن، نانوذرات تهیه شده از فلزات واسطه را به صورت کلوئید (ذرات معلق)در مخلوط واکنش پخش می کنند. معمولا برای پیشگیری از تجمع نانوذرات، از يک ماده پايدارکننده استفاده میشود.
يک پايدار کننده خوب، نه تنها نانوکاتالیست را در فرايند کاتالیتیكی حفظ کرده، در عین حال فعالیت آن را کاهش نمیدهد. در پايان نیز میتوان نانوذرات را از محصول نهايی واکنش جداسازی نمود. روش کاهش يا همان احیاء فلزات يعنی الكترون گرفتن کاتیون فلزی و تبديل آن به اتم فلز خنثی ،روشی معمول برای سنتز کنترل شده ی نانوذرات به صورت کلويید در محلول است. فرآيند کاهش به دو صورت شیمیايی و الكتروشیمیايی اجرا میشود:
کاهش شیمیایی: معمولترين روش کاهش است که در آن، نمک فلز مورد نظر در محلول با عوامل کاهنده مثل الكل ها و سديم بوروهیدريد به اتم فلزی کاهش يافته و تبديل به نانوذره ی فلزی میشود.
کاهش الکتروشیمیایی: در اين روش در ازای يک عامل کاهنده شیمیايی، از الكترون های انباشته شده بر سطح الكترود استفاده میشود. در فرآيند کاهش الكتروشیمیايی از يک پیل متشكل از آند (محل اکسايش)، کاتد (محل کاهش) و الکترولیت استفاده می شود.
۶- نانوکاتالیست با رفتار ناهمگن:
کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیست ها، بستر و کاتالیست، با هم تشكیل يک نانوکامپوزيت میدهند که برای رسیدن به بهترين عملكرد مناسب است . به عنوان مثال میتوان به قرار گرفتن کاتالیست طلابر سطح بستر دی اکسید تیتانیوم يا اکسید آهن اشاره کرد. اينها کاتالیست های بسیار خوبی برای اکسايش منوکسیدکربن به دی اکسیدکربن هستند. از آنجا که دی اکسید کربن خطر کمتری دارد، استفاده از اين نانوکاتالیست می تواند خطرات زيست محیطی مونواکسید کربن را کاهش می دهد.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.