تهيه نانوکاتالیست‎های تشکیل شده از يک هسته‌ فلزی با خاصيت مغناطيسی هدف طرح پژوهشی است که با پشتیبانی صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران معاونت علمی و توسط محققان دانشگاه تربیت مدرس انجام شد.

به گزارش مرکز ارتباطات و اطلاع رسانی معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری، تا آغاز قرن نوزدهم ماهيت كاتاليزورها ناشناخته بود، سرانجام در سال 1835 ميلادي، ژان ياكوب برسليوس شيميدان سوئدي در بررسي واكنش‎هاي شيميايي يكي از خصوصيات مهم واكنش‌ها را سرعت انجام آن‎ها دانست. زيرا واكنش‎هايي كه در آزمايشگاه انجام مي‌شوند بايد از سرعت كافي برخوردار باشند تا بتوان واكنشي را دنبال كرده و با مشاهده آزمايش به نتايجي دست يافت بنابراین برسلیوس فرایندهای کاتالیزوری را اینگونه توصیف می کند؛ كاتاليزورها موادي هستند كه سرعت واكنش‌هاي شيميايي را افزايش مي‌دهند ولي در واكنش مصرف نمي‌شوند.

كاتاليزورها چه در كاربردهاي صنعتي و چه در فرآيندهاي بيولوژيكي اهميت بسياري دارند، زيرا در واكنش‌هاي صنعتي لازم است كه سرعت واكنش به طريقي افزايش داده شود تا توليد فرآورده‌هاي حاصل از آن از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشد، اگر چه مي‌توان با افزايش دما سرعت واكنش را به مقدار قابل توجهي افزايش داد ولي از آن جا كه افزايش دما با مصرف انرژي همراه است، چنين اقدامی صرفه‌ اقتصادي نخواهد داشت. از سوي ديگر بسياري از مواد نسبت به گرما حساس هستند و در اثر گرما تجزيه مي‌شوند به همين دليل مناسب‌ترين راه اين است كه براي سرعت دادن به واكنش‌هاي شيميايي از كاتاليزورهاي مناسب استفاده گردد. اما از انجا که کاتاليزورها در فرآيندهاي شيميایي مصرف نمي¬شوند و دست نخورده باقي مي¬مانند، ولي جداسازي و بازيابي آنها غالبا ساده و سهل الوصول نيست. به همين دليل طراحي کاتاليزورهايي که بازيافت آنها آسان باشد، هدفي ارزشمند براي دانشمندان بوده است و انگيزه لازم و کافي را براي ابداع و کشف کاتاليزورهاي جديد ايجاد کند.

همچنین کاتالیزو‎رها بر اساس ترکیب فاز آن‎ها به دو دسته همگن و ناهمگن طبقه‎بندی می‎شوند. هنگامي که کاتالیزور به صورت محلول در محيط واکنشي است کاتاليزور همگن و وقتی که کاتاليزور فازی مجزا از فاز واکنش تشکيل مي‎دهد کاتاليزور ناهمگن ناميده می شود .کاتالیست‎های ناهمگن نسبت به کاتالیست‎های همگن مرسوم به دلیل حذف آسانشان از محیط واکنش توسط جداسازی ساده و قابلیت استفاده مجدد مفیدتر هستند که این در سنتز سبز امری ضروری است.

از سوی دیگر، فرایند واکنش را مقرون به صرفه‎تر می‌سازند  برای طراحی و سنتز یک کاتالیست ناهمگن، کنترل مراکز فعال تشکیل شده حائز اهمیت است. به دلیل سطح فعال زیاد و نیز مراکز فعال فراوان در نانوکاتالیست‌ها این کاتالیست‎ها واکنش‎پذیری بهبود یافته‎ای از خود نشان می‎دهند. برای افزایش فعالیت کاتالیستی و کاهش مقدار کاتالیست‎های با ارزش مورد نیاز، توانایی کنترل ذرات، مساحت سطح و توزیع موثر نانو ذرات، اصول کلیدی هستند که باید مد نظر قرار داد. یکی از اهداف در زمینه نانوکاتالیست‎ها، استفاده از نانوکریستال‎ها به دلیل سطح فعال زیاد این ساختارهاست. این مواد همچنین با تعداد زیادی از اتم‎های دارای عدد کئوردیناسیون بسیار پایین بر روی سطح در گوشه‎ها و لبه‎ها شکل یافته‎اند. چنین اتم‎هایی مراکز فعال زیادی برای انجام واکنش‎ها فراهم می‎کنند. در نتیجه ایجاد بیشتر مراکز فعال و مساحت سطحی، اصلاح مهمی در فعالیت، گزینش‌پذیری، بازده و پایداری نانوکاتالیست‎ها ایجاد می‎شود.اما جداسازی این نانو کاتالیست ها از مخلوط واکنش آسان نیست و جداسازی های مرسوم مانند صاف کردن به دلیل اندازه نانو این کاتالیست‎ها موثر نیست.

این محدودیت‎ها  کاربرد این نانو کاتالیست‎ها را از نظر اقتصادی مختل می‌کند. برای غلبه بر این مساله، استفاده از نانو ذرات مغناطیسی یک راه حل مناسب بنظر می‌آید. نانو ذرات مغناطیسی فعاليت کاتاليزوري بالايي داشته و درجه بالايي از پايداري شيميايي را از خود نشان مي دهند ذات پارامغناطیسی و غیر قابل حل بودن نانو ذرات مغناطیسی جداسازی این کاتالیست را از مخلوط واکنش توسط یک آهنربای خارجی آسان می‎سازد که جداسازی راحت و بازیافتنی بودن کاتالیست از ویژگی‌های مهم کاتالیست ناهمگن در واکنش‎های کاتالیستی است. کلوخه شدن که یکی از معایب این کاتالیست‎های ناهمگن می باشد که عامل دار کردن سطح نانو ذرات مغناطیسی یک راه مناسب برای پر کردن شکاف بین کاتالیست های همگن و ناهمگن است. مگنیتیت و فرریت به خوبی شناخته شده‌اند و می‌توانند بعنوان بستر مناسبی برای عامل دار کردن با فلزات، اورگانو کاتالیست‌ها و N-هتروسیکل کاربن‌ها و کاتالیست‎های کایرال مورد استفاده قرار گیرند. مگنتیت بعنوان یک بستر مناسب برای کاتالیست‎های همگن فلزات فعال مانند پالادیم، پلاتین، مس، نیکل، کبالت و ایریدیم و...استفاده می‌شود و یک کاتالیست ناهمگن قابل بازیافت و پایداری را فراهم می‎کند. اورگانو کاتالیست‎های همگن هم بصورت مستقیم و هم توسط لیگاند و یا پیونددهنده‌ها روی سطح نانوذرات مغناطیس تثبیت می‌شوند.

برخی از مزایای کلیدی کاتالیزورهای تثبیت شده در مقایسه با کاتالیزورهای ناهمگن عبارت است از : 

افزایش پراکندگی خوب مراکز فعال کاتالیزوری و تجمع این مراکز در منافذ کوچک منجر به بهبود قابل توجهی در فعالیت می شود.

وجود منافذ در ابعاد مولکولی و جذب مولکول‌های واکنش دهنده روی سطح مواد منجر به بهبود در گزینش واکنش می‌شود.

ذخیره سازی راحت و امن‌تر، استخراج و جابه جایی آسان از دیگر مزایای این نوع از کاتالیزورها می باشد. يک ويژگي برجسته کاتاليزورهاي تثبیت شده بر بستر نانو ذرات مغناطيسي اين است که به آساني و با بکارگيري يک ميدان مغناطيسي خارجي از محيط واکنش جدا مي شوند، فعاليت کاتاليزوري بالايي داشته و درجه بالايي از پايداري شيميايي را از خود نشان مي دهند . اورگانوکاتالیست ها به هوا و رطوبت حساس نیستند و میتوان از آن‌ها به طور عمده در سنتز‌های آلی استفاده کرد.

بر این اساس طرح پژوهشی" تهيه و شناسایی اورگانوکاتالیست های بازی تثبیت شده بر بسترنانوذرات مغناطیسی و مطالعه کاربرد های آن ها در واکنش های آلی" توسط محققان دانشگاه تربیت مدرس و با پشتیبانی صندوق حمایت از فناوران و پژوهشگران معاونت علمی انجام شد. هدف کلی آن تهيه نانوکاتالیست‎های تشکیل شده از يک هسته‌ فلزی با خاصيت مغناطيسی و يک اورگانوکاتالیست بازی با خصلت کاتاليزوری است. تا بتواند فرآيندهای شيميايی را به سمت استفاده از کاتاليزورهای هتروژن با قابليت بسيار بالای بازيافت و استفاده مجدد سوق دهد. توسعه و استفاده از سيستم‌های سازگار با محيط زيست و رسيدن به اهداف شيمی سبز اهدافی است که با انجام این طرح دنبال شد.

انتهای پیام/25