چرا فلزات گرانبها روی بستر کربنی خواص کاتالیزوری خیلی بهتری دارند؟

وقتی نانوذرات فلزی را روی کربن قرار می‌دهید، فعال‌تر می‌شوند. به تازگی محققان دانشگاه صنعتی وین برای این پدیده، توضیحات علمی ارائه کرده‌اند.

کد خبر: ۱۱۹۵۳۳۸

سه‌شنبه - ۲۹ آبان ۱۴۰۳ / November 19, 2024

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو؛ به نقل از ستاد نانو فلزات گرانبها نقش مهمی در صنایع شیمیایی به عنوان کاتالیزور دارند؛ با کمک نقره، پلاتین، پالادیوم یا عناصر دیگر، واکنش‌های شیمیایی می‌توانند انجام شوند که در غیر این صورت واکنش‌ها پیشرفت نمی‌کنند یا فقط با سرعت بسیار پایین‌تری پیشرفت می‌کنند. این فلزات اغلب به شکل نانوذرات ریز مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، نحوه عملکرد آنها به سطحی که روی آن قرار می‌گیرند نیز بستگی دارد. به نظر می‌رسد نانوذرات روی پایه کربن به خوبی کار می‌کنند، دلیل این امر برای مدت طولانی ناشناخته بود.

اکنون برای اولین بار امکان اندازه‌گیری و توضیح دقیق تعامل بین نانوذرات فلزی و یک بستر کربن به وجود آمده است. اتم‌های نقره روی یک تکیه‌گاه کربن دویست برابر فعال‌تر از اتم‌های موجود در یک تکه نقره خالص هستند. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که منطقه‌ای که در آن نقره در تماس مستقیم با کربن است بسیار مهم است. با کمک تبادل ایزوتوپ هیدروژن، روشی برای آزمایش سریع‌تر و آسان‌تر پشتیبانی کاتالیزور برای اثربخشی آنها ایجاد شد.

پروفسور گونتر روپرچتر از مؤسسه شیمی مواد در دانشگاه صنعتی وین می‌گوید: «برای مدت طولانی، استفاده از کربن به عنوان یک ماده حامل برای کاتالیزور نقش تقریباً جادویی داشت. معلوم شد که منبع کربن مهم است. برای برخی فرآیند‌ها از کربنی استفاده می‌شود که از پوسته نارگیل، الیاف یا چوب‌های خاص به دست می‌آید. چنین دستور‌هایی را می‌توان حتی در اسناد ثبت اختراع یافت.»

این تیم ابتدا نمونه‌هایی تولید کرد که می‌توان آنها را با دقت بسیار مشخص کرد: نانوذرات نقره با اندازه‌های مشخص روی یک بستر کربن و یک ورق نقره نازک بدون کربن.

سپس هر دو نمونه در یک راکتور شیمیایی مورد بررسی قرار گرفتند: توماس ویچت، نویسنده اول این مطالعه توضیح می‌دهد: «نقره می‌تواند برای تقسیم مولکول‌های هیدروژن به اتم‌های هیدروژن منفرد استفاده شود. از این هیدروژن می‌توان برای مثال برای واکنش هیدروژناسیون اتن استفاده کرد. به روشی مشابه، می‌توان مولکول‌های هیدروژن «معمولی» را با مولکول‌های ساخته شده از هیدروژن سنگین (دوتریوم) مخلوط کرد. سپس هر دو مولکول توسط نقره جدا شده و دوباره ترکیب می‌شوند. هر چه کاتالیزور فعال‌تر باشد، دو ایزوتوپ هیدروژن بیشتر مبادله می‌شوند. این اطلاعات بسیار قابل اعتمادی در مورد فعالیت کاتالیست ارائه می‌دهد.

این بدان معناست که برای اولین بار، تفاوت در فعالیت بین اتم‌های نقره با و بدون پشتیبان کربن را می‌توان دقیقاً اندازه‌گیری کرد. توماس می‌گوید: «برای هر اتم نقره، زمینه کربن دویست برابر فعالیت بیشتری ایجاد می‌کند.»

برای دستیابی به همان فعالیت فقط به دو صدم فلزات گرانبها نیاز دارید و می‌توانید این کار را به سادگی با افزودن کربن نسبتاً ارزان انجام دهید.

منطقه مرزی بین ذرات نقره و حامل کربن بسیار مهم است. اثر کاتالیزور دقیقاً در جایی که این دو با هم تماس پیدا می‌کنند بیشتر است. الکساندر ژنست می‌گوید: «اثر کاتالیزوری شدید زمانی رخ می‌دهد که یک مولکول واکنش‌دهنده مستقیماً در سطح مشترک با کربن و اتم نقره تماس پیدا کند. هر چه این ناحیه تماس مستقیم بزرگتر باشد، فعالیت بیشتر است.»