کاربرد کاتالیزوری گرافن - ایران گرافن

در این بخش به کاربرد کاتالیزوری گرافن خواهیم پرداخت؛ کاتالیز به کاربرد کاتالیزورها برای افزایش سرعت واکنش و/یا گزینش پذیری بدون مصرف در طول واکنش گفته می شود. کاتالیزور یک مسیر واکنش جایگزین با انرژی فعال سازی کمتر فراهم می کند و از این رو سرعت واکنش را افزایش می دهد. در برخی موارد، کاتالیزور مکانیسم‌های واکنش را به طور کلی تغییر می‌دهد و منجر به بهبود گزینش‌پذیری واکنش می‌شود.

بنابراین، با شرایط واکنش یکسان، کاتالیز می‌تواند تبدیل واکنش‌دهنده‌ها را به حداکثر برساند و در عین حال محصولات جانبی و آلاینده‌های نامطلوب را کاهش دهد. به طور کلی، فقط مقادیر کمی کاتالیزور برای انجام واکنش مورد نیاز است و کاتالیزورهای مصرف شده پتانسیل بازسازی و استفاده مجدد را دارند.

با افزایش تقاضا برای راندمان بالاتر، اثرات زیست محیطی کمتر و اقتصاد بهتر، کاتالیز به عنوان یک گزینه محبوب برای فرآیندهای شیمیایی صنعتی ظاهر شده است که در آن تقریباً 90٪ محصولات شیمیایی تجاری از نوعی کاتالیزور در طول فرآیند تولید استفاده می کنند. این مشارکت به دلیل میزان پیشرفت انجام شده در مطالعه کاتالیزور همچنان در حال افزایش است که به نوبه خود به تحقیق و توسعه بیشتر کاتالیزور در فرآیندهای صنعتی دامن می زند.

در چند دهه گذشته، مواد کاتالیزوری مختلف در تلاش برای ایجاد تعادل بین کارایی و هزینه آزمایش شده‌اند. به طور معمول، کاتالیزورها عمدتاً بر اساس فلزات کمیاب، فلزات نجیب، فلزات واسطه، اکسیدهای فلزی و/یا مواد هیبریدی یا کامپوزیت ها با مراکز فلزی فعال هستند. با این حال، کاربرد آنها به عنوان کاتالیزور به دلیل هزینه های بالا، سمیت و مسائل زیست محیطی محدود شده است.

علاوه بر این، انرژی سطحی بالای ذرات فلزی معمولاً منجر به تجمع شدید می‌شود که منجر به از بین رفتن مکان‌های فعال در دسترس و در نتیجه فعالیت کاتالیزوری می‌شود. این امر در صنعت با استفاده از مقدار بیشتر از فلزات کمیاب و واسطه با اثرات مخرب تر بر محیط زیست جبران می شود. از این رو، نیاز به کشف جایگزین‌های بالقوه با راندمان بالاتر، هزینه‌های کمتر و پایداری بهتر در تلاش‌ها برای کاهش وابستگی به منابع فلزی وجود دارد.

به عنوان جایگزینی برای موادی که در حال حاضر در کاتالیز استفاده می شوند، مواد مختلف مبتنی بر کربن به عنوان اشکال کاتالیزورهای بدون فلز یا تقویت کننده های کاتالیزور مورد بررسی قرار گرفته اند. این تا حدودی به دلیل فراوانی آن در طبیعت، هزینه کم و کاهش اثرات منفی بر محیط زیست است. مواد مبتنی بر کربن در مقایسه با مواد معمولی مانند سیلیس و زئولیت، پایداری بالایی در شرایط اسیدی و بازی دارند. این ویژگی ها چیزی است که کاتالیزورهای مبتنی بر کربن را به عنوان جایگزین در طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی بسیار مطلوب می کند. گرافن یکی از مواد مبتنی بر کربن است که بر روی آن تمرکز شده است.

گرافن در کاتالیزور

گرافن، آلوتروپ کربن در ساختار دو بعدی، از زمان جداسازی موفقیت آمیز خود، انقلابی در تحقیق، توسعه و کاربرد در رشته های مختلف ایجاد کرده است. تک لایه اتم‌های کربن هیبرید شده sp2 مجموعه‌ای از ویژگی‌های بی‌رقیب را با کسری از ارزش رقبای خود از جمله پلاتین، طلا و نقره به همراه دارد.

اخیراً، روند رو به رشدی در استفاده از گرافن در کاتالیز، چه به عنوان کاتالیزور بدون فلز، چه به عنوان کاتالیزور کامپوزیت یا به عنوان تقویت کننده کاتالیزور وجود داشته است. خواص منحصر به فرد و خارق العاده گرافن آن را در افزایش واکنش پذیری و گزینش پذیری برخی واکنش ها مفید کرده است.

خواصی که سبب شده تا استفاده کاتالیزوری گرافن مورد توجه قرار گیرد عبارت است از:

• مساحت سطح بالا:

گرافن به دلیل مساحت سطح بزرگ، جذب فوق‌العاده و سازگاری بالا با گروه‌های عملکردی مختلف، می‌تواند سطح جدیدی از امکانات و قابلیت‌ها را برای طراحی و سنتز کاتالیست‌های مبتنی بر گرافن برای کاربردهای خاص فراهم کند و کاربرد کاتالیزوری داشته باشد.

• تحرک الکترون:

تحرک الکترون استثنایی گرافن امکان انتقال سریع الکترون در طی فرآیندهای کاتالیزوری را فراهم می کند. این ویژگی واکنش های ردوکس سریع و انتقال بار کارآمد را امکان پذیر می کند که منجر به افزایش عملکرد کاتالیزوری می شود.

• پایداری شیمیایی:

گرافن از نظر شیمیایی بی اثر و در طیف وسیعی از شرایط عملیاتی پایدار است. این می تواند در برابر دماهای بالا، محیط های خورنده و واکنش های اکسیداتیو مقاومت کند و به کاتالیزور قوی تبدیل شود.

• ویژگی های الکترونیکی قابل تنظیم:

خواص الکترونیکی گرافن را می توان با ایجاد نقص، دوپینگ یا عاملی سازی تنظیم کرد که می تواند به طور قابل توجهی بر فعالیت کاتالیزوری آن تاثیر بگذارد. با اصلاح دقیق ساختار آن، می توان خواص کاتالیزوری گرافن را برای واکنش های خاص تنظیم کرد.

• تطبیق پذیری:

گرافن را می توان با عناصر کاتالیزوری مختلف مانند فلزات، اکسیدهای فلزی یا نانو ذرات فلزی عامل دار کرد. این تطبیق پذیری طیف گسترده ای از کاربردهای کاتالیزوری از جمله تبدیل انرژی، اصلاح محیطی و سنتز آلی را امکان پذیر می کند.

با توجه به ماهیت ذاتی گرافن، همراه با پیشرفت شتابان اخیر آن در فرآیندهای سنتز و اصلاح، پیش‌بینی می‌شود که کاربرد گرافن در کاتالیز از مرحله نخستین کنونی رشد تصاعدی داشته باشد.

در ادامه از کاربردهای گرافن به عنوان کاتالیزور به چند نمونه اشاره می شود:

• پیل سوختی:

کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن پتانسیل زیادی برای بهبود واکنش کاهش اکسیژن (ORR) در پیل هاای سوختی نشان داده اند. کاتالیزورها با پشتیبانی از گرافن فعالیت کاتالیزوری و پایداری موادی مانند پلاتین را افزایش می دهند، هزینه را کاهش می دهند و کارایی پیل های سوختی را افزایش می دهند.

• تقسیم آب:

کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن را می توان برای الکتروکاتالیز در فرآیند تقسیم آب استفاده کرد، جایی که آب به گازهای هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) تقسیم می شود. با عملکردی کردن گرافن، می توان خواص الکتروکاتالیستی آن را افزایش داد و آن را به یک جایگزین کارآمد و کم هزینه برای کاتالیزورهای معمولی تبدیل کرد.

• واکنش تکامل هیدروژن (HER):

مواد کاتالیزوری مبتنی بر گرافن عملکرد بسیار خوبی در HER نشان داده اند که برای فناوری هایی مانند الکترولیز آب و سلول های سوختی هیدروژنی بسیار مهم است. رسانای الکتریکی بالای گرافن با انتقال موثر الکترون ها به پروتون های آب، فرآیند HER را تسهیل می کند.

• کاهش دی اکسید کربن:

گرافن و مواد کاتالیزوری مبتنی بر گرافن می توانند به عنوان کاتالیزورهای کارآمد برای تبدیل دی اکسید کربن (CO₂) به مواد شیمیایی مفید عمل کنند. با اصلاح شیمی سطح گرافن، می تواند به طور انتخابی کاهش CO₂ را به محصولات ارزشمندی کانند مونوکسیدکربن (CO) و اسید فرمیک (HCOOH) کاتالیز کند.

• سنتز آلی:

کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن پتانسیل کاتالیزوری قابل توجهی در واکنش های آلی مختلف نشان داده اند. مساحت سطح بالا و خواص منحصر به فرد انتقال الکترون گرافن، آن را به یک کاتالیزور ایده آل برای تشکیل پیوند C-C و واکنش های اکسیداسیون تبدیل می کند.

• اصلاح زیست محیطی:

کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن را می توان برای تخریب آلاینده های آلی در آب و هوا استفاده کرد. ظرفیت جذب قوی و فعالیت فوتوکالیستی گرافن، حذف ترکیبات آلی مضر، فلزات سنگین و حتی رنگ ها را از محیط های آلوده تسهیل می کند.

• تبدیل انرژی خورشیدی:

کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن را می توان در سلول های خورشیدی گنجاند تا کارایی آن ها را با افزایش انتقال بار و کاهش نوترکیبی بهبود بخشد و کاربرد کاتالیزوری گرافن را امکان پذیر می کند.

تیم ایران گرافن با ارائه گرافن در مقیاس صنعتی، کیفیت بالا و قیمت مناسب سعی در بومی سازی این ماده مهم شیمیایی و رفع نیاز صنعت کشور را دارد.

منبع:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201003897

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp908829m