کاتالیزور چیست؟

کاتالیزور چیست؟

کاتالیزور ماده ای است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می دهد. کاتالیزور در ابتدا با مواد اولیه تشکیل پیوند می دهد و آنها را به محصول تبدیل می کند. سپس محصول از سطح کاتالیزور جدا می شود و مواد واکنش نکرده برای ادامه واکنش روی سطح کاتالیزور باقی می مانند. در حقیقت، می توان واکنش های کاتالیزوری را به صورت یک سیکل بسته در نظر گرفت که در ابتدا کاتالیزور وارد واکنش می شود سپس در انتهای سیکل به شکل اولیه خود بازیابی می شود.

کاتالیزور به فرم های مختلفی وجود دارد، فرم های متنوع اتمی و مولکولی تا ساختار بزرگی نظیر زئولیت ها یا آنزیم ها در گستره کاتالیزور ها قرار می گیرند. علاوه براین آنها می توانند در محیط های مختلفی بکار بروند: در مایعات، گازها یادر سطح جامدات.

در یک نگاه کلی می توان کاتالیزور ها را به سه زیر مجموعه تقسیم کرد: کاتالیزور های همگن، کاتالیزورهای غیر همگن و کاتالیزور های حیاتی

کاتالیزور همگن

در کاتالیزور همگن ماده ای که به عنوان کاتالیزور کار می‌کند، با مواد واکنش‌دهنده در یک فاز گاز یا مایع باشند. واکنش های صنعتی مانند Hydroformylation و پلیمریزاسیون اولفین ها از کاتالیزور های همگن استفاده می کنند. یکی از واکنش هایی که در یک فاز انجام می شود، سنتز اسید استیک از متانول و مونوکسید کربن با استفاده از یک کمپلکس RH می باشد.

کاتالیزور ناهمگن

هنگامی که یک مرز مشترک فازی، کاتالیزور را از مواد واکنش دهنده جدا سازد، آنگاه کاتالیزور را ناهمگن می نامند. کاتالیزور ناهمگن عمدتاً از طریق جذب سطحی شیمیایی مواد واکنش دهنده روی سطح کاتالیزور صورت می‌گیرد.

 کاتالیزور های حیاتی

بسیاری از فرایندهای صنعتی به اعمالی بستگی دارند که با کاتالیزور صورت می‌گیرند. ولی کاتالیزورهایی که برای انسان مورد اهمیت بیشتری دارند، کاتالیزورهای طبیعی یعنی آنزیم‌ها هستند. این مواد فوق العاده پیچیده، پروتئین های بزرگی هستند که فرایندهای حیاتی مانندگوارش و سنتز سلولی را کاتالیز می‌کنند.

  اجزاء مهم کاتالیزور

کاتالیزور ها می توانند بصورت اکسیدها، نیتریدها، اسیدها، نمک ها، بکار بروند.  تهیه و آماده سازی کاتالیزور ها ترکیبی از علم و هنر است اما اساس آن بر مبنا ی آزمایش می باشد. کاتالیزور ها بر حسب نوع فرایندی که در آنها مورد استفاده قرار می گیرند به شکل ها و اندازه های متفاوتی (میکروسکوپیک، مزوسکوپیک و ماکروسکوپیک  ساخته می شوند.

کاتالیزور های صنعتی به ندرت از یک ترکیب درست شده اند، اما معمولاً از دو جزء و یا بیشتر و به ندرت از اجزای بسیار زیاد تشکیل می شوند. در هر کاتالیزور مورد استفاده در صنایع مختلف، علاوه بر فاز فعال ترکیبات دیگری به منظور تغییر در خصوصیات کاتالیزور از قبیل فعالیت، گزینش پذیری، پایداری و غیره  استفاده می شود.

کاتالیزور های جامد از سه جزء اصلی تشکیل شده اند:

• فاز فعال
• پروموتر
• پایه

مثلاً در کاتالیزور CuO/ZnO/Al₂O₃، که کاتالیزور سنتز متانول از گاز سنتز می باشد،  CuO جزء فعال کاتالیزور ZnO پروموتر و Al₂O₃  نقش پایه کاتالیزور می باشد.

 فاز فعال

انتخاب فاز فلز در تهیه کاتالیزور مورد نظر نقش بسیار مهمی دارد. فلز بایستی طوری انتخاب شود که واکنش های مورد نظر را به طور کامل انجام داده و قادر به انجام واکنش های ناخواسته نباشد. فاکتورهای مهم در انتخاب فاز فعال عبارتند از:

• فعالیت
• گزینش پذیری
• پایداری حرارتی و مکانیکی
• قابلیت باز یابی
• قیمت
• اندازه و شکل ذرات

پروموتر یا ارتقاءدهنده

پروموتر به موادی گفته می شود که به مقدار خیلی کم به کاتالیزور افزوده می گردد، تا فعالیت بهتر، گزینش پذیری یا پایداری بیشتری را در آن ایجاد کند این ترکیبات به دوصورت فلزی و اکسیدی در ساختار کاتالیزور می توانند وجود داشته باشند. مکانیسم عمل پروموتر ها به این صورت است که تقویت کننده ها با ایجاد نقص ها یا بی‌نظمی های شبکه در سطح کاتالیزورکه باعث ناهمواری های سطحی (پله ها) می شود، نقش عمده ای در کنترل فعالیت و گزینش پذیری کاتالیزور دارند.

اغلب پروموتر ها را می توان به پروموتر های الیاف جلوگیری از جمع شدن و انباشتگی بلورهای فعال کاتالیزور) و پروموتر های ساختاری (اثرات شیمیایی و الکترونی بر روی ساختار کاتالیزور) تقسیم بندی نمود. یک تقویت کننده الیافی (پایدارکننده) اثرات فیزیکی دارد اما یک تقویت کننده ساختاری (الکترونی) اثرات شیمیایی به سیستم تحمیل می نماید.

اصطلاح پایه به موادی اطلاق می شود که قسمت بدنه کاتالیزور را تشکیل می دهند و جزء فعال کاتالیزور و تقویت کننده ها روی آن قرار می گیرند. پایه کاتالیزور در اغلب موارد اصلاً فعالیت کاتالیزوری ندارد. اولین خاصیتی که یک پایه کاتالیزور باید داشته باشد، خنثی بودن آن از نظر شیمیایی است.

پایه کاتالیزور باعث توزیع و پخش شدن کاتالیزورهای گران قیمت مانند پلاتین می گردد. در اصل پایه برای بهینه کردن بافت لازم کاتالیزور یا برای تقویت تشکیل یک فاز فعال ویژه انتخاب می گردد. پایه به کاتالیزور مقاومت مکانیکی و حرارتی لازم را می دهد و آن را در مقابل خرد شدن و کلوخه شدن محافظت می کند. برای این که بتوان کاتالیزور های ناهمگن را در اشل صنعتی مصرف کرد باید کاتالیزور در شرایط واکنش واکنش فعالیت، گزینش پذیری و بالایی داشته باشد. به این منظور در اغلب فرایند های کاتالیزوری برای رسیدن به کاتالیزوری با مساحت سطح ویژه بالا و حداکثر فعالیت ویژه، فاز فعال فلزی بر روی پایه پراکنده می شود.