Нанокатализатор текст. Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными, в зависимости от того, существуют ли они в одной и той же фазе или нет
 Скачать 19.02 Kb.
|
|
3-слайд Более 60 % химических продуктов и 90 % химических процессов в мире либо основаны, либо в значительной степени зависят от катализа. Катализ важен благодаря уникальным возможностям катализаторов в ускорении химических реакций за счет снижения энергетического барьера и в управлении путями реакции в направлении селективного синтеза целевых продуктов. Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными, в зависимости от того, существуют ли они в одной и той же фазе или нет. Поскольку гомогенные катализаторы легко растворимы и доступны для субстратов в реакционных средах, они обладают высокой каталитической активностью и селективностью. Более того, их структуры хорошо определены на молекулярном уровне. Однако гомогенные катализаторы используются менее чем в 20 % промышленных процессов из-за трудоемкого и дорогостоящего отделения катализаторов от конечных продуктов. И наоборот, гетерогенные катализаторы широко используются в промышленности благодаря их легкому разделению и извлечению, а также их высокой стабильности даже при воздействии жестких условий реакции. Однако гетерогенные катализаторы обычно проявляют меньшую активность, чем их гомогенные аналоги, главным образом из-за пределов диффузии и уменьшенного числа активных центров, доступных для реагентов. Чтобы преодолеть эти ограничения, которые связаны с гомогенными и гетерогенными катализаторами, новые каталитические системы должны сочетать свои преимущества в отношении высокой эффективности, селективности, стабильности и разделяемости. 4-слайд Нанокатализаторы являются примерами этой новой каталитической системы, которая связывает гомогенный катализ и гетерогенный катализ. Они состоят из наноразмерных частиц (нанометаллов или нанометаллических оксидов, которые являются самоподдерживающимися или диспергированными на других поверхностях) с большой открытой площадью поверхности активных компонентов, что улучшает доступность активных центров для реагентов и имитирует гомогенные катализаторы. Их нерастворимость в реакционных растворителях и реагентах делает их легко отделимыми от реакционных смесей, что делает их похожими на гетерогенные катализаторы. Активность и селективность нанокатализаторов могут быть рационально настроены путем изменения их химических и физических свойств, таких как размер, форма, состав и морфология. Поэтому нанокатализаторам и нанокатализу в последние два десятилетия уделялось пристальное внимание, особенно после открытия уникальной активности наноразмерных Au-катализаторов при низкотемпературном окислении СО. Следовательно, реакции, связанные с нанокатализаторами, испытали экспоненциальный рост в химическом производстве, сборе энергии, преобразовании и хранении, а также в защите окружающей среды 5-слайд Методы получения 6-слайд Золото в своей массе является инертным, золото в нанопористых или наночастицах является хорошим катализатором окисления монооксида углерода, что делает его интересным для обработки выбросов в каталитических нейтрализаторах. Почему объемные частицы Au не являются каталитически активными и почему НЧ Au высокоактивны? Считается, что понимание ответа на этот вопрос предоставит полезную информацию для более рационального проектирования металлических наночастиц. Каталитическая активность наночастиц золота может быть описана как ландшафт с областями положительного электростатического потенциала (σ-дырки) на атомах Au с низкой координацией из-за перекрытия однократно занятых s-орбиталей ( рис. 1.8 ). В целом, снижение сродства связывания и каталитической активности в нанокластерах Au происходит в следующем порядке: углы> края> грани. Этот метод чаще всего применяется к благородным металлам, но может быть применен к нанокластерам переходных металлов, например. Также в исследовании опубликованное в Nature Materials, изучалось каталитические механизмы в нанопористом золоте. Нанопористое золото предпочтительнее наночастиц из-за его стабильности и способности к извлечению. Исследование показало, что каталитическая активность сосредоточена вокруг концентрационных дефектов на поверхности золота. Нанопористое золото получают путем удаления серебра из сплава золото / серебро - атомы серебра, оставленные на поверхности золота, делают дефекты на поверхности значительно более стабильными, позволяя им действовать как каталитические активные центры. 7-слайд Нанокатализаторы Cu−Pd. Ученые синтезировали наночастицы сплава Cu−Pd путем перемешивания CuCl2 и PdCl2 в водном растворе NaOH с последующим впрыском смешанного раствора в тефлоновую чашку в автоклаве из нержавеющей стали. Cформированные наночастицы Cu−Pd размером менее 20 нм; более 90 % наночастиц попадают в диапазон размеров 3-4 нм, на рисунке d представлена гистограмма наночастиц со средним размером 3,3 нм. Восстановительная активность характеризовалась реакцией гидрирования в водном Борогидрида натрия NaBH4, в которой использование биметаллических нанокатализаторов Cu−Pd значительно улучшило катализирующую активность по сравнению с использованием только Cu или Pd 8-слайд Ученые из Китая синтезировали мультиметаллические гетерогенные нанокатализаторы Pt−Ni−Fe, в которых синтезированный материал Ni-Fe в форме разветвленной гантели был синтезирован с помощью электромагнитной волны. Нанокатализаторы Pt−Ni−Fe в форме разветвленных гантелей продемонстрировали эффективную каталитическую активность по сравнению с нанокатализаторами Ni/Fe с разветвленными гантелями и нанокатализаторами Ni; по меньшей мере 10 последовательных циклов реакции с эффективностью преобразования ≈97% могут быть успешно достигнуты (рисунок 9). Нанокатализаторы Pt−Ni−Fe можно легко отделить от раствора и извлечь с помощью внешнего магнита и повторно диспергировать в растворе для последующего использования. 9-слайд Оксид графена является одним из наиболее широко используемых носителей для загрузки нанокатализаторов, таких как Pd, Au и Ag.76 Учеными был спроектирован наночастицы Pt−Au, которые были поддержаны функционализированным оксидом графена (рисунок 12); синтезированные сплавы Pt-Au демонстрировали наноструктуру, подобную дендримеру, с небольшим размером ≈50 нм. Размер и морфология NPS Au могут влиять на катализ гидрирования. Однако активность гидрирования Au обычно намного ниже, чем у металлов Pt-группы. Введение модифицированного Pt-Au на основе оксида графена может обеспечивает активные каталитические участки, улучшая перенос электронов, тем самым способствуя каталитической активности восстановления Борогидрида натрия NaBH4 10-слайд Китайские ученые синтезировали гибридный фоточувствительный катализатор CdS на основе оксида графена посредством электростатического взаимодействия отрицательно заряженного графена и положительно заряженных наночастиц CdS для восстановления NaBH4 при помощи света (рисунок 13). Гибридные нанокатализаторы CdS/графена продемонстрировали высокую восстановительную активность, предположительно, благодаря синергетическому эффекту, исходящему от CdS и оксида графена, что обеспечило высокую скорость переноса электронов для восстановления. Тесный межфазный контакт с помощью стратегии электростатической самосборки способствовал переносу носителей в гибридных нанокатализаторах CdS/графена при облучении видимым светом, обеспечивая тем самым повышение фотокаталитических характеристик. Введение графена увеличило работу электронов, которые генерировались из наноструктур CdS при облучении видимым светом. Кроме того, использование графена также способствует повышению концентрации наноструктур на поверхности графена, что эффективно ускоряет каталитическое гидрирование. |