Наноразмерный катализатор наука
Введение
Нанокатализ является быстро развивающейся областью науки, которая включает использование наноматериалов в качестве катализаторов для различных процессов катализа. Катализ является одним из старейших методов, использующий наночастицы. Алюминий, железо, диоксид титана, глина, кварц - все они применялись в качестве катализаторов наноразмерной формы на протяжении многих лет.
Несмотря на то, что результаты научных исследований внесли значительный вклад в наше понимание фундаментального катализа, большинство современных коммерческих катализаторов по-прежнему производятся по методу "перемешивание-встряхивание-запекание" смеси нескольких компонентов, поэтому образование наноразмерной структуры в этих катализаторах проблематично, что приводит к малой эффективности этих веществ. Благодаря своим комплексам физико-химических свойств в нанометровом диапазоне, любые характеристики большинства коммерческих катализаторов оказываются неудовлетворительными. Нанокатализаторы имеют очень большую площадь поверхности, которая положительно влияет на скорость реакции.
Основной целью нанокаталитических исследований является производство катализаторов с 100% селективностью, чрезвычайно высокой активностью, низким потребление энергии и долгим срок службы. Это может быть достигнуто только путем точного контроля размеров, формы, пространственного распределения, состава поверхности и электронной структуры, термической и химической стабильности отдельных нанокомпонентов.
Гомогенный и гетерогенный катализы
Исследования нанокатализа переживают бурный рост в течение последних десяти лет в гомогенном и гетерогенном направлениях. Так как наночастицы имеют большое отношение площади поверхности к объему, по сравнению с сыпучими материалами, они являются привлекательными кандидатами для использования в качестве катализаторов.
В гомогенном катализе катализаторы используются в той же среде как и остальные реагенты: для наночастиц это может быть раствор или суспензий наночастиц в растворителе. Особенно часто используются в качестве катализаторов наноразмерные частицы переходных металлов. Коллоидные растворы наночастиц должны быть стабилизированы в целях предотвращения агрегации, а также иметь возможность переработки. Такие катализаторы являются являются очень эффективными, потому что большое количество атомов находится на поверхности наночастиц. Методы, которые используется для синтеза наночастиц переходных металлов в коллоидных растворах, очень важны для каталитических процессов. В ходе синтеза необходимо контролировать размер и форму образующихся наночастиц переходных металлов. Метод химического восстановления солей переходных металлов является наиболее широко используемым методом получения коллоидных растворов нанокатализаторов в гомогенном катализе. Есть четыре синтетических метода для подготовки коллоидных растворов, которые не так часто используется:
· тепловые, фотохимические
· восстановление лиганда металлорганического соединения
· получение наночастиц в процессе «испарение - конденсация»
· электрохимическое восстановление солей переходных металлов
Стабилизация наночастиц в растворе необходима в целях предотвращения агломерации и агрегации. Для каталитических процессов, выбор стабилизатора играет важную роль в определении реакционной способности наноразмерных частиц. Хорошим стабилизатором является тот, который защищает наночастицы в ходе каталитического процесса, но не нейтрализует их поверхности, что может привести к потере каталитической активностью.
Другим вариантом, который часто считается более экологически чистым, является гетерогенный катализ. Он содержит катализатор, который находится в другой фазе относительно реагентов. Катализатор, как правило, находится в твердом виде или нанесён на твердую инертную матрицу, например в виде пасты. Такой метод позволяет обойти проблемы отходов и восстановления, т.к. твердый катализатор можно в большинстве случаев просто отфильтровать.
Много исследований было сделано, чтобы определить каталитический потенциал различных наночастиц, которые можно применить в гетерогенном катализе. Наиболее подходящими оказались наночастицы палладия, железа, золота, никеля и платины. Также рассматриваются варианты в диапазоне от кремния или алюминия до углеродных волокон.
Еще одна область гетерогенных нанокатализаторов которая была изучена - это твёрдые тела с наноструктурой или нанопористые тела. Подобные вещества могут быть изготовлены путем выращивания твердого материала вокруг молекулярного шаблона. Наноразмерные черты также могут быть выгравированы на поверхности катализатора с использованием стандартных методов литографии - это может улучшить степень контроля над потоком реагентов на поверхности катализатора, а также увеличить площадь поверхности.