درک نانوذرات فلزی در هیدروژنه کاتالیتیک

هیدروژن کاتالیتیک سنگ بنای شیمی صنعتی مدرن است که تولید همه چیز را از مارگارین تا داروها به مواد شیمیایی ریز امکان می دهد.در قلب این تحول نانو ذرات فلزی است - خوشه های عجیب و غریب از اتم ها که به سرعت ویژگی های شگفت انگیز از مواد هیدروژن را نشان می دهند، با کاهش فلزات مانند پلاتین، پالادیوم، نیکل، و cobalt به ابعاد نانو (معمولا 1 دانشمندان) ، کشف ویژگی های منحصر به فرد از این ویژگی های مواد هیدروژن، جزئیات این ویژگی های مواد شیمیایی، و مواد شیمیایی.

نانوذرات فلزی چیست؟ خواص و سنتز

نانوذرات فلزی کریستالی یا مجموعهای بی شکل اتم های فلزی محدود به اندازه های زیر 100 نانومتر هستند، در این مقیاس، نسبت اتم های سطح به اتم های بزرگ به طور فوق العاده بالا می رود، که منجر به رفتار فیزیکی و شیمیایی متمایز بر خلاف فلزات فله می شود، که نسبتاً تعداد کمی از سایت های فعال در هر توده واحد دارند، نانوذرات چگالی گسترده ای از اتم های سطح] را ارائه می دهند که می توانند با ساختارهای تنظیم کننده واکنش نشان دهند، و همچنین مولکول های الکترونی کوانتومی را تغییر دهند.

ویژگی های منحصر به فرد در مقیاس نانو

مهم ترین ویژگی برای کاتالیز نسبت سطح بالا به حجم است.به عنوان مثال، یک نانو ذرات پلاتین 10 نانومتر تقریبا 20 درصد از اتم های آن بر روی سطح است، در حالی که یک مکعب 1 سانتی متر کمتر از 0.001٪ اتم سطح دارد.این به طور مستقیم به سایت های فعال تر برای هیدروژن و جذب بستر دیگر اثرات مهم نانو شامل:

  • ساختار الکترونیکی وابسته به الکترون [FLT 1] - همانطور که ذرات کوچک می شوند، شکاف گروه گسترش می یابد، و تغییر نحوه تعامل آنها با هیدروژن و مولکول های آلی.
  • - نانو ذرات اغلب هواپیماهای کریستالی خاص (به عنوان مثال، (111)، (100) را نشان می دهند که به نفع مسیرهای واکنش خاص هستند.
  • افزایش تراکم نقص - لبه ها، گوشه ها و گام ها بر روی نانوذرات بسیار واکنشی هستند و می توانند به عنوان نقاط داغ کاتالیزوری خدمت کنند.

روش های سنتز مشترک

تولید نانوذرات فلزی با اندازه کنترل شده، شکل و ترکیب برای بهینه سازی عملکرد کاتالیتیک ضروری است.

  • کاهش یافته است - نمک های فلزی در محلول با استفاده از عوامل مانند سدیم بورو هیدرید یا تحریک کننده کاهش می یابد.
  • سنتز سبز - عصاره های گیاهی یا میکروارگانیسم ها به عنوان کاهش و مسدود کردن عوامل عمل می کنند، ارائه یک جایگزین پایدار با کاهش ضایعات سمی.
  • روش های فیزیکی - ریزش لیزر، متخلخل و تبخیر حرارتی نانو ذرات را در فاز گاز تولید می کند، اغلب با خلوص بالا.
  • سنتز پشتیبانی شده - نانوذرات به طور مستقیم در پشتیبانی جامد (کربن، سیلیکا، آلومینا) رشد می کنند تا ثبات و قابلیت بازیافت را افزایش دهند.

مکانیسم های نانو ذرات فلزی کاتالیز هیدروژن

هیدروژن شامل اضافه کردن هیدروژن مولکولی (H2) در سراسر پیوندهای غیر اشباع مانند C=C، C ⁇ C، C=O یا C=N. متال نانو ذرات این فرآیند را با ارائه سطحی که پیوند H-H قوی را بشکند و بستر را فعال کند، تسریع می کند.

فعال سازی هیدروژن و جذب سطح

در سطح نانو ذرات فلزی، تبلیغات H2 به طور ضمنی از بین می رود - شکاف های پیوند H-H، تولید دو اتم هیدروژن که به شدت تلفن همراه و واکنش پذیر هستند، سد انرژی برای این نانوذرات ناهمگون به طور قابل توجهی در سطوح نانوLT نسبت به فلزات عمده به دلیل حضور سایت های کم هماهنگی، به طور همزمان، گروه غیر اشباع شده از تبلیغات لایه ای که اغلب به طور پیوسته در حال انتقال هیدروژن هستند، پایین است.

هیدروژن انتخاب شده و طراحی کاتالیزور

یکی از ارزشمندترین ویژگی های کاتالیزورهای نانو ذرات فلزی توانایی تنظیم انتخاب کننده است، به عنوان مثال، در هیدروژنه های آلکی به آلکنس (به عنوان مثال، acetylene به e اتیلن 1) نانوذرات الکترون می توانند برای توقف در مرحله alkene به جای به طور کامل به یک انتخاب این اندازه آلیاژ، یا Pglicing دقیق تر استفاده کنند.

برنامه های کلیدی در سراسر صنایع

کاتالیزورهای نانو ذرات فلزی در حال حاضر نقش مهمی در بخش های مختلف ایفا می کنند، به لطف فعالیت برتر، انتخاب و بهره وری.

مواد شیمیایی و دارویی

هیدروژن یک گام حیاتی در synthesizing بسیاری از مواد مخدر فعال (APIs) است، به عنوان مثال، هیدروژن نامتقارن از کتوهای Prochiral یا imines با استفاده از کاتالیزورهای گیاهی و پوشش داده شده، مولکول های ضدوپوپوپویل را تولید می کنند.

بخش غذا و Agrochemical

در پردازش مواد غذایی، هیدروژن روغن های گیاهی برای تولید چربی های نیمه جامد (به عنوان مثال، مارگارین) به طور سنتی از کاتالیزورهای نیکل استفاده می کرد. امروز، نانویکل و نانوذرات پشتیبانی شده اجازه می دهند که شرایط خفیف تر، کاهش ترانس به طور مشابه، هیدروژن نیتریل برای قارچ های اولیه - و نانو- را با نانوذرات شیمیایی بهبود می دهند.

برنامه های کاربردی پتروشیمی و انرژی

فرایندهای هیدروژل و هیدروکینگ در پالایشگاه ها به کاتالیزورهای نانوذرات فلزی (به عنوان مثال، Co-Mo، Ni-W) برای حذف گوگرد، نیتروژن و اکسیژن از بخش های نفتی خام متکی هستند.تغییر به سمت سبک تر، سوخت های پاک کننده نیاز به کاتالیزورهایی دارد که در دما و فشارهای پایین تر عمل می کنند، هیدروژن CO2 به methanol یا برای استفاده از نانوذرات در حال ظهور اسید یا استفاده از آن است.

مزایای کاتالیزورهای نانوذرات فلزی

در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی معمولی یا مجتمع های همگن، نانوذرات فلزی مزایای مختلفی را ارائه می دهند:

  • فعالیت کاتالیاتیک بالا [FLT 1] - تراکم بیشتر از سایت های فعال در هر توده واحد منجر به نرخ واکنش سریع تر می شود.
  • نیازهای انرژی کم تر - بسیاری از هیدروژنها می توانند در دماها و فشارهای پایین تر، کاهش هزینه های عملیاتی ادامه دهند.
  • [[۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱۰] [۱]] [۱]] [۱] [۱]] [۱] [۱]] [۱]] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۲] [۲] [۱] [۱]]] [۱]]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [
  • قابلیت بازیافت - نانوذرات پشتیبانی شده را می توان به راحتی بازیابی و استفاده مجدد چندین بار بدون از دست دادن قابل توجه فعالیت.
  • استفاده از فلز قرمز - مقدار کمی از فلزات گرانبها بیشتر کشیده شده است، حفظ منابع نادر.

چالش ها و تحقیقات مداوم

علی رغم وعده های آنها، کاتالیزورهای نانوذرات فلزی با موانع دنیای واقعی مواجه هستند که محققان به طور فعال به آن توجه می کنند.

ثبات و Agglomeration

نانوذرات به لحاظ ترمودینامیک ناپایدار هستند؛ آنها تمایل دارند که انرژی سطح را کاهش دهند، به ویژه در شرایط واکنش (گرمی، فشار، حلال) این انحراف سطح فعال را کاهش می دهد و عملکرد را کاهش می دهد.

  • مواد پشتیبانی - نانوذرات در جامدات متخلخل (zeolites، چارچوب های آلی فلزی، نانولوله های کربنی) به طور فیزیکی آنها را جدا می کند.
  • عوامل نقشه برداری - پلیمرها یا سورکترها یک سد استریو یا الکترواستاتیکی را در برابر زغال سنگ ایجاد می کنند.
  • ساختارهای پوسته پوسته پوسته (FLT:1) - پوسته محافظ (به عنوان مثال، سیلیکا یا کربن) در اطراف هسته فلزی مانع از خارش در حالی که اجازه دسترسی واکنش پذیر از طریق منافذ.

مسمومیت زیست محیطی و سنتز سبز

برخی از نانوذرات فلزی، به ویژه آنهایی که حاوی فلزات سنگین هستند، نگرانی های مربوط به سمیت محیط زیست و سلامت انسان را افزایش می دهند.[۱] ترجمه یون های فلزی به محیط زیست یا محصول یک مسئله تنظیم کننده است.برای حل این مسئله، تحقیقات بر روی Green سنتز [FLT: ۱] روش های تصفیه شده که از پیش نویس های تجدید پذیر و جلوگیری از مواد شیمیایی خطرناک استفاده می کنند، (F:2.

هزینه و مقیاس پذیری

فلزات گرانبها مانند پلاتین و پالادیوم گران هستند، محدود کردن جایگزین های بزرگ در مقیاس بزرگ شامل استفاده از فلزات پایه (iron، کبالت، نیکل) یا توسعه نانوذرات فلزی که فلزات گرانبها را با فلزات ارزان تر رقیق می کنند.پیشرفت در سنتز colltoxic و راکتورهای جریان مداوم تولید نانوذرات را قابل مقیاس تر و بازتولید می کند.

مسیر های آینده و روند نوظهور

زمینه کاتالیز نانو ذرات فلزی بسیار از بالغ است. چندین جهت هیجان انگیز وعده می دهد حتی فرایندهای هیدروژن کارآمد تر و پایدار.

[FLT: 1 ] کاتالیزورهای چند منظوره و چند منظوره - ترکیب نانوذرات فلزی با دیگر اجزای فعال (به عنوان مثال، آنزیم ها، فتوکاتاها) می تواند واکنش های آبشاری یا هیدروژنه نور را فعال کند.

] یادگیری ماشینی و غربالگری با خروجی بالا [ - مدل های محاسباتی آموزش دیده اند تا پیش بینی اندازه نانو ذرات بهینه، شکل و ترکیب برای واکنش هیدروژنه داده شده، این سرعت کشف کاتالیزور و کاهش آزمایش تجربی و خطا. Recent پیشرفت در کاتالیزور داده محور [F:3] برای نشان دادن نانو وعده های منطقی.

تکنیک های پیشرفته کاراکترسازی - در میکروسکوپ الکترون انتقال در زمان واقعی کمک می کند تا تغییرات ساختاری را با عملکرد کاتالیزوری هماهنگ کند، و توسعه کاتالیزورهای قوی تر را هدایت کند.

مسیرهای پایدار و زیست محیطی - ادغام نانوذرات فلزی با آنزیم ها یا سلول های کامل هیدروژنation یک مرز در حال ظهور است. چنین سیستم های هیبریدی فعالیت بالا فلزات را با انتخاب عالی زیست شناسی ترکیب می کنند، به طور بالقوه واکنش های تحت شرایط محیطی با استفاده از اهداکنندگان هیدروژن تجدید پذیر را قادر می سازد.

نتیجه گیری

نانوذرات فلزی اساساً چشم انداز هیدروژنه کاتالیتیک خود را تغییر داده اند، خواص سطحی استثنایی آنها، انتخاب تنبل و کاربرد صنعتی گسترده آنها را ابزار ضروری برای تولید مواد شیمیایی، سوخت و مواد را به طور موثر تر انتخاب می کند، در حالی که چالش هایی مانند ثبات، سمیت، و هزینه باقی مانده، نوآوری مداوم در سنتز، تثبیت، و کاتالیزور به طور پیوسته بر این موانع غلبه می کند، زیرا زمینه های دقیق تر، و واکنش های دقیق تر، و دقیق تر در ادامه می دهد، و روش های فلزی، و دقیق تر، و دقیق تر، و دقیق تر، و روش های پایدار تر، و دقیق تر، ادامه می شود، و ادامه، و پایدار تر، و پایدار تر، و پایدار تر، و ادامه، و ادامه، و ادامه، و ادامه، و ادامه، نوآوری مداوم، و پایدار، و ادامه می دهد، نوآوری مداوم، و پایدار، و ادامه، نوآوری مداوم، و پایدار، و پایدار در ساخت و پایدار در ساخت و پایدار، نوآوری مداوم، و پایدار در ساخت و پایدار، و پایدار، نوآوری در ساخت و توسعه پایدار، نوآوری در ساخت و پایدار تر، نوآوری مداوم، نوآوری مداوم، و پایدار، نوآوری مداوم، نوآوری مداوم در ساخت و پایدار، و پایدار تر، و پایدار تر