نانو ساختارها - جلسه ششم

عنوان:
نانو ساختارهای هتروژن اسیدی

اهداف جلسه:
· آشنایی با کاتالیست های ناهمگن
. آشنایی با کاتالیست های اسیدی

 وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· بالن دو دهانه 500 میلی لیتری
· سیلیكاژل
· كلروسولفونیك اسید
· HCl

مقدمه:
بخش اعظم انرژی تولید شده در جهان به هدر می رود. لامپ‌های معمولی علاوه بر نور، گرما نیز تولید می‌کنند که جز اتلاف انرژی چیزی نیست. انجام و دوام برخی فرآیندها، بیش از اندازه‌ی لازم انرژی می‌گیرند. مثلاً برای تولید گازوییل، باید به نفت گرما داد تا واکنش‌های مربوطه اتفاق بیفتد. یافتن روش‌هایی برای صرفه‌جویی انرژی در این فرآیندها، نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی دارد. استفاده از نانوفناوری در تولید مواد شیمیایی، یکی از این روش‌ها می‌باشد. استفاده از کاتالیزورها، در گذشته نیز برای انجام واکنش‌های شیمیایی رواج داشته است. با استفاده از نانو فناوری می‌توانیم کاتالیزورهای کارآمدتری تولید، و بیش از پیش در مصرف انرژی صرفه‌جویی نماییم.
کاتالیزوها موادی هستند که چنان چه به یک مخلوط واکنش افزوده شوند، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند، بدون این‌که خود در واکنش شیمیایی شرکت نمایند. کاتالیزورها در پایان واکنش دست‌ نخورده باقی‌ می‌مانند.
یک نمونه قدیمی از کاتالیزورها، پلاتین است که به طور مثال، از آن در سیستم اگزوز ماشین استفاده می‌شود. پلاتین به واکنش‌هایِ تبدیل گاز سمی مونوکسید کربن و اکسید نیتروژن به دو گاز سمی دی‌اکسید کربن و نیتروژن کمک می‌کند. هر چند کاتالیزورهای قدیمی هنوز هم کارایی دارند، ولی با پیشرفت علم نانو، کاتالیزورهای کارآمدتری در صنایع نفت و گاز ایجاد شده است.
 هر چه سطح کاتالیزورها بزرگ‌تر باشد، کارایی آن‌ها نیز بیشتر است؛ چون در یک زمان با مولکول‌های بیشتری واکنش می‌دهند. تا همین چند سال اخیر، دانشمندان به ابزارهای لازم برای تولید و استفاده از نانوذرات مجهز نبودند؛ اما امروزه پژوهش گران، کاتالیزورهای متشکل از نانوذرات را با شناخت بهتری از چگونگی عملکرد آن‌ ها طراحی می‌کنند.

کاربردهای نانوکاتالیست‌ها 
کاهش CO2 هوا
یکی از مشکلات جهان امروز، افزایش میزان دی‌اکسید کربن در هواست. اگر بتوانیم روشی مؤثر و کارآمد در کاهش و پالایش گازهای خروجی دودکش‌ها بیابیم کمک بزرگی به رفع این مشکل کرده‌ایم. در این زمینه، نانوفناوری می‌تواند روش‌های موثر و ارزان‌تری در مقایسه با روش‌های فعلی ارائه نماید.
پوهشگران در پژوهشگاه ملی اوک ریج، نانوکریستالی طراحی کرده‌اند که می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. وقتی دی‌اکسید کربن روی نانوکریستال تهیه شده از کادمیم، سلنیم و ایندیم می‌ نشیند، نانوکریستال یک الکترون به دی‌اکسید کربن می دهد، و این الکترون اضاقی سبب می‌شود، دی‌اکسید کربن با دیگر مولکول‌های موجود در دودکش واکنش دهد، و به گازی با خطر کمتر تبدیل شود.
در واقع؛ این نانوکریستال یک کاتالیزور است. اگر هزینه تولید فیلترهای حاوی این نانو کریستال‌ها کمتر شود، می‌توان آن ها را به صورت فراگیر به کار برد.

جلوگیری از انتشار بخارات سمی جیوه
از دیگر چالش‌هایی که پژوهش گران امیدوارند بتوانند با نانوکریستال‌ها از پس آن برآیند، بخار جیوه است. نیروگاه‌های برق زغال سنگی، بخار جیوه منتشر می‌کنند. یکی از روش‌های جلوگیری از انتشار آن، استفاده از نانوکریستال‌های اکسید تیتانیوم در زیر تابش پرتو فرابنفش است، که باعث تبدیل بخار جیوه به اکسید جیوه که ماده‌ای جامد است خواهد شد.
موتورهای دیزلی که در بیشتر اتوبوس‌ها و خودروهای سنگین به کار می‌روند هم، اکسیدهای نیتروژن منتشر می‌کنند. شرکت بیوفرندلی، نانوکاتالیزوری طراحی کرده است که وقتی به سوخت موتور دیزلی افزوده شود، باعث احتراق کامل سوخت می‌شود. به این ترتیب اکسیدهای نیتروژن کمتری منتشر می‌شود.

کاربرد نانوکاتالیست‌ها در تصفیه آب
از نانومواد کاتالیستی در صنایع تصفیه آب هم استفاده زیادی می‌شود. دانشگاه رایس وجورجیاتک، در طرحی مشترک روش کارآمدی برای حذف تری‌کلرواتین از آب ارائه کرده‌اند. این ماده خطرناک سبب بیماری‌های قلبی، تهوع و حساسیت چشمی می‌شود. این ماده می‌تواند بیشتر جهت چربی‌زدایی از تجهیزات مورد استفاده در فرآیند شیمیایی تبدیل این ماده به اتان که ماده‌ای بی ضرر است کاربرد داشته باشد. برای کاهش هزینه‌ها، نانوذرات طلا را با لایه‌ای از پالادیم می‌آلایند و از آن به عنوان کاتالیزور در نابودی تری‌کلرو اتیلن استفاده می‌نمایند.
یکی دیگر از روش‌های تصفیه آب که از روش پالادیم ارزان‌تر است، تزریق نانوذرات آهن به درون آب‌های آلوده است، پس از تزریق، نانوذرات آهن با اکسیژن موجود در آب تبدیل به زنگ آهن شده و آلاینده ها در تماس با این زنگ آهن خنثی می‌شوند. برای مثال، تتراکلرید کربن که ماده‌ سمی بسیاری از شوینده‌هاست، در تماس با این زنگ آهن تبدیل به کلروفرم که ماده‌ای بی‌ضررتر است می‌شود.

کاتالیست های اسیدی
در سال های اخیر استفاده از کاتالیزور­های اسیدی یا بازی جذب شده بر روی بسترهای جامد، در شیمی آلی گسترش یافته است. این کاتالیزور­ها به دلیل افزایش سطح فعال و موثر برای واكنش و هم چنین، كاهش انرژی فعال سازی در سرعت و بازده محصولات اثر می­گذارند.

از مزایا ی این كاتالیزورها میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
- پخش گسترده مكان­ های فعال در کاتالیزور سبب بهبود فعالیت می­ شود.
- ساختمان متخلخل و خصلت جذب سطحی بسترها منجربه بهبود گزینش پذیری واكنش می­ گردد.
- کاتالیزور­های جذب شده روی بسترها در مرحله پایانی با عمل ساده صاف كردن حذف می ­شوند.
- بسیاری از کاتالیزور­ها براحتی بازیابی شده و بدون از دست دادن فعالیت کاتالیزوری دوباره مورد استفاده قرار می­ گیرند.
- بطور كلی مهم ترین عامل دراستفاده روزافزون این کاتالیزور­ها، مسائل زیست محیطی و جنبه­ های اقتصادی می ­باشد.

سیلیكا سولفوریك اسید به عنوان کاتالیزور اسیدی ناهمگن برای واكنش های آلی
اخیراً سیلیكا سولفوریك اسید بعنوان کاتالیزور ناهمگن برای واكنشهای آلی مورد توجه قرار گرفته است. سیلیكا سولفوریك اسید یك کاتالیزور اسیدی قوی و مناسب برای واكنش های آلی محسوب می شود كه در آن سولفوریك اسید از طریق پیوند كووالانسی بر روی سیلیكاژل تثبیت شده است. این کاتالیزور ارزان قیمت، قابل بازیافت و براحتی در دسترس می­باشد. دلایل بسیاری باعث ارجحیت استفاده از این اسید نسبت به اسیدهای معمول شده است . از جمله این دلایل می­توان به سمیت كمتر، كنترل فرآیند خوردگی، كنترل میزان كاتالیزور و جلوگیری از هدر رفتن آن و نهایتاً سادگی بازیافت و استفاده مجدد این کاتالیزور­ها اشاره كرد. علاوه بر این، سازگاری این تركیبات با محیط زیست سبب شده است كه جایگزینی آن ها با اسیدهای معمول بعنوان یك هدف جدی مطرح شود.

روش کار 
1. در یك بالن دو دهانه 500 میلی لیتری، مقدار 60 گرم سیلیكاژل mesh230-70، 2/0مول=3/23 گرم كلروسولفونیك اسید قطره قطره بمدت 30 دقیقه در دمای محیط اضافه کنید.
2. سیلیكاژل را مرتب بهم بزنید.
3. گاز HCl آزاد شده از طریق یك خروجی و سیستم خلاء به یك محلول قلیایی جاذب هدایت می شود.
4.  بعد از كامل شدن واكنش مخلوط بمدت 30 دقیقه روی همزن قرار داده شود تا كاملاً بهم بخورد.
5.  در این فاصله گاز HCl باقی مانده توسط سیستم خلاء بطور كامل خارج شود.
6. در نهایت ماده جامد سفیدرنگ بدست می­آید.

سوالات
1. کاتالیست های  هتروژن و هموژن چه تفاوتی دارند؟

 

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی