اهداف جلسه:
·  آشنایی با سنتزگرافن اکسید اسیدی
· آشنایی با کاتالیست های ناهمگن اسیدی
 
وسایل مورد نیاز:
·دسترسی به اینترنت
·اکسید گرافن
·بالن ژوژه 250 سی سی
·سولفونیک اسید
·دی کلرومتان

 مقدمه:
در این جلسه ابتدا بطور اجمالی با نانوکاتالیستها آشنا می شویم و سپس با انجام یک آزمایشی گرافن اکسید اسیدی تهیه می کنیم. از ترکیبات گرافن اکسید اسیدی می توان بعنوان کاتالیست ناهمگن اسیدی استفاده نمود.

 نانوکاتالیست ها:
کاتالیست، گونه‌ای است که انرژی فعال‌سازی واکنش (انرژی اولیه برای انجام واکنش) را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می‌دهد. فلزات واسطه جدول تناوبی عناصر، رایج‌ترین کاتالیست‌ها هستند.
کاتالیست‌ها به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم می‌شوند. کاتالیست همگن، تک اتم، یون یا مولکول است و با واکنش‌دهنده ها هم‌فاز می‌باشد. به بیان دیگر، ذرات کاتالیست همگن می‌توانند به‌راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا تولید یا بازیابی می‌شود. فعالیت بسیار بالا، گزینش‌پذیری و بازده خوب، از محاسن این‌گونه از کاتالیست می‌باشد. بهبود در عملکرد کاتالیست‌های همگن می‌تواند با اتصال گروه‌های متفاوت آلی و معدنی به ذره اصلی فراهم شود. 

انجام واكنش‌هاي شيميايي در شرايط بدون حلال
سال‌هاي متمادي تصور دانشمندان اين بود كه براي تبديل يك تركيب به تركيب ديگر به محيط محلول نياز است. اما امروزه تجربيات دانشمندان نشان داده است كه بسياري از واكنش­ها بدون حلال با بازده و گزينش‌پذيري بهتر صورت مي­گيرد. چگونگي انجام واكنش‌هاي شيميايي به هر صورتي كه باشد، بستري را فراهم نموده كه گروه­هاي تحقيقاتي زيادي به انجام فعاليت در خصوص انجام واكنش­هاي جديد يا تكرار واكنش­هاي قبلي تحت شرايط بدون حلال روي آوردند. اين موضوع به حدي گسترده شده كه امروزه هر واكنشي در هر شرايطي كه گزارش مي­ شود امكان انجام آن تحت شرايط بدون حلال نيز سنجيده خواهد شد.
 طراحی کاتالیست در مقیاس ذره‌ای و در مقیاس راکتور، عمدتاً براساس اصول هیدرودینامیک و انتقال جرم قرار دارد. افزایش فعالیت کاتالیستی و انتخاب‌پذیری نیازمند بهبود خود ماده‌ کاتالیستی است. پیشرفت‌های اخیر نشان داده است که بهبود عملکرد کاتالیست می‌تواند از طریق اصلاح ساختاری در مقیاس نانو یا ترکیب مواد به دست آید. برای یک ذره‌ کاتالیست جامد یا بلور، سطح خارجی موجود برای واکنش‌های کاتالیستی در واحد حجم با کاهش اندازه‌ ذره افزایش می‌یابد. برخلاف این مفهوم متداول که فعالیت کاتالیستی بالا با پراکندگی زیاد یک فلز کاتالیست مرتبط است، فعالیت ممکن است از اندازه‌ اتم‌های مشخص تا خوشه‌های معین افزایش یابد و سپس، با افزایش بیشتر اندازه‌ ساختار کاتالیست، به‌سرعت کاهش یابد. اندازه‌ بحرانی ممکن است در مقیاس نانومتر باشد و توسط پراش اشعه‌ ایکس قابل تشخیص نباشد. مهندسی نانو در مواد کاتالیستی به دو طریق عمل می‌کند: یکی اینکه مکان‌های فعال در واحد جرم یا حجم یک ماده‌ کاتالیستی مشخص را حداکثر می‌کند و دیگر اینکه ساختارهای کاتالیستی جدیدی را از طریق ترکیب مواد گوناگون در مقیاس نانو ایجاد می‌کند. فلز پلاتین (Pt) برای فرایندهای کاتالیستی مختلفی مانند ریفرمینگ کاتالیستی در صنعت پالایش، کنترل آلودگی ناشی از اتومبیل‌ها، و الکترودهای پیل‌های سوختی استفاده می‌شود. با توجه به گران بودن پلاتین و منابع طبیعی محدود آن، همیشه انگیزه‌ استفاده‌ بهتر از آن وجود داشته است. در مقیاس نانو، خواص مواد از طریق آرایش اتم‌ها دیکته می‌شود. برای یک عنصر فلزی معین مانند پلاتین، روش‌هایی برای خوشه کردن اتم‌های آن وجود دارد.
با توجه به مشکلات امروزی مانند آلودگی زیست‌محیطی (آلودگی هوا، آلودگی آب)، کمبود مواد خام اولیه جهت تولید محصولات، و کمبود منابع انرژی، با استفاده از فناوری نانو می‌توان به موادی با خواص فوق‌العاده برای به حداقل رساندن مشکلات مذکور دست یافت. نانوکاتالیست‌ها نمونه‌ای از این مواد هستند. درواقع، با استفاده از فناوری نانو می‌توان به کاتالیست‌های مدرنی دست یافت که مساحت سطح ویژه‌ بالاتری نسبت به کاتالیست‌های متداول دارند و علاوه بر مصرف کمتر فلزات گران‌بها در آن‌ها، می‌توان بازده‌ آن‌ها را افزایش داد که این امر باعث ایجاد کاتالیست ارزان‌تر و موثرتر می‌شود.
کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیست ها، بستر و کاتالیست، با هم تشکیل یک نانوکامپوزیت می دهند که برای رسیدن به بهترین عملکرد مناسب است. به عنوان مثال می توان به قرار گرفتن کاتالیست طلا بر سطح بستر دی اکسید تیتانیوم یا اکسید آهن اشاره کرد. این نانوکاتالیست ها به ترتیب به صورت Au/TiO2 و Au/Fe2O3 نشان داده می شوند. این ها کاتالیست های بسیار خوبی برای اکسایش منوکسید کربن (آلاینده¬ای بسیار مضر و خطرناک) به دی اکسید کربن هستند. از آنجا که دی اکسید کربن خطر کم تری دارد، استفاده از این نانوکاتالیست می تواند خطرات زیست محیطی مونواکسید کربن را کاهش می دهد.

ویژگی های نانوکاتالیست
۱- حداکثر سطح فعال به ازای واحد جرم و حجم: هر چه سطح فعال (سطح در دسترس برای انجام واکنش) به خصوص برای یک کاتالیست ناهمگن بیشتر باشد، جایگاه های فعال واکنش پذیر افزایش یافته و بازده  کاتالیست بالا می رود. با فراهم آوردن سطح بیشتر برای یک ساختار کاتالیستی، در مقدار مصرفی نانوکاتالیست صرفه جویی  شده و با افزایش واکنش دهنده های درگیرشونده در واکنش، سرعت (Rate) واکنش نیز بیش تر می شود.

                                                 بیشینه فعالیت شیمیایی کاتالیست ناهمگن، در ابعاد نانو است

۲- شکل و اندازه ی قابل کنترل: برای رسیدن به بیشینه ی فعالیت، باید بهترین و مناسب ترین اندازه ی نانوذره مشخص شود؛ در روش های تولید نانوذرات، راه های زیادی برای کنترل ابعاد وجود دارد. براساس محاسبات رایانه ای و شبیه سازی می توان به اندازه  مناسب برای یک نانوذره  با بیش ترین فعالیت و در عین حال بیشترین پایداری دست یافت. بهترین کاتالیست ها از فلزات گران بها مثل پلاتین (Pt)، طلا (Au) و پالادیوم (Pd) تشکیل یافته اند. تخمین دقیق تر بهترین اندازه ی این نانوذرات در جهت دستیابی به بالاترین فعالیت کاتالیستی، به صرفه-جویی در مصرف این ترکیبات کمک زیادی می کند.

                    براساس محاسبات رایانه، خوشه ی پلاتین با ۶۱۱ اتم (با قطر حدود ۳ نانومتر)، بیش ترین فعالیت را دارد.
 ۳- قابلیت جداسازی از مخلوط واکنش: نانوکاتالیست ها، چه همگن و چه ناهمگن، می-توانند به راحتی از محصولات و باقی مانده ی اضافی واکنش گرها جدا شوند. همان گونه که ذکر شد، به دلیل بزرگی نانوذرات در مقایسه با اتم ها و مولکول ها، این ترکیبات در محیط واکنش قابل حل نبوده و معلق می مانند. به عنوان مثال، نانوذرات مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی در حوزه ی کاتالیست دارند. زمانی که نانوذرات مغناطیسی به عنوان کاتالیست در واکنش به کار می روند، در پایان می توانند توسط اعمال یک میدان مغناطیسی مناسب از محیط جداسازی و بازیابی شوند.
۴- گزینش پذیری و بازده ی بالا: یک نانوکاتالیست، واکنش را در یک مسیر خاص و با گزینش مواد اولیه پیش می برد. این به آن معنی است که ترکیبات ناخواسته کمتر واکنش های فرعی را باعث می شوند و از تولید محصولات جانبی در طول فرایند جلوگیری می شود. همچنین نانوکاتالیست با سطح فعال بسیار بالای خود، بازده واکنش را در مسیر اصلی خود افزایش می دهد. به عبارت دیگر می توان گفت که حجم بالاتری از مواد اولیه به محصول نهایی تبدیل می شوند. مخلوط نهایی واکنش در این حالت بیشتر متشکل از محصول اصلی است و در صد کمی از محصولات جانبی و واکنشگرهای باقی مانده (آن هایی که در واکنش شرکت نکرده اند) وجود دارد. این فرآیند، روند خالص سازی و استخراج محصول (برای مثال یک دارو) را آسان و کم هزینه می کند.
۵- استعداد کلوخه ای شدن : نانوذرات در پایدارترین حالت ساختاری خود نیستند، فعالیت سطحی بسیار بالا داشته و از این رو مستعد به هم چسبیدن، کلوخه ای شدن و در نتیجه از دست دادن ابعاد نانو می باشند. اگر فرآیند کلوخه ای شدن برای یک نانوکاتالیست اتفاق بیفتد، فعالیت آن کاهش چشم گیری پیدا می کند و به اصطلاح، غیرفعال می شود.
۶- تنوع بالا و قابلیت اصلاح شیمیایی: به علت فعالیت سطحی بالا، گروه های مختلف آلی می توانند به سطح نانوکاتالیست ها متصل شوند. ازجهتی فعالیت سطحی بالا باعث می شود تا نانوکاتالیست ها با مواد معدنی نیز کامپوزیت تشکیل دهند. اصلاح شیمیایی نانوکاتالیست ها با اتصال گروه های مختلف تنوع زیادی را در عملکرد آن ها به وجود می آورد.
۷- منبع تهیه: نانوکاتالیست های طبیعی در طبیعت وجود دارند و در دسترس هستند. از این دسته می توان به نانوذرات خاک رس و نانوزئولیت ها اشاره کرد. دسته دیگر نانوکاتالیست های سنتزی هستند که توسط بشر تولید می شوند و تنوع زیادی دارند؛ برای مثال نانوذرات اکسید فلزی از این دست هستند.

سنتز گرافن اکسید اسیدی
روش کار
1. برای عامل‌دار کردن اکسید گرافن با گروه عاملی سولفونیک اسید، به مقدار یک گرم از اکسید گرافن را در یک بالن 50 میلی لیتری می ریزیم.
2.  5 میلی لیتر دی­کلرومتان را به آن اضافه می کنیم،
3.  5/0 گرم کلرو سولفونیک اسید به وسیله پی­پت، افزوده می ­شود.
4. پس از یک ساعت جامدات تشکیل شده، صاف کنید.
5. رسوب مشکی را  در آون در دمای C° 50 خشک می ­گردد.
سوالات
1. دلیل استفاده از حلال دی کلرومتان چیست.

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت