۱-۲۱-کاتالیزور چیست؟
کاتالیزر ماده­ای است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می­دهد. کاتالیزر در ابتدا با مواد اولیه تشکیل پیوند می­دهد و آنها را به محصول تبدیل می­ کند. سپس محصول از سطح کاتالیزر جدا می­ شود و مواد واکنش نکرده برای ادامه واکنش روی سطح کاتالیزر باقی می­مانند. در حقیقت می­توان واکنش­های کاتالیزری را به صورت یک سیکل بسته در نظر گرفت که در ابتدا کاتالیزر وارد واکنش می­ شود سپس در انتهای سیکل به شکل اولیه خود بازیابی می­ شود. کاتالیزر به فرم­های مختلفی وجود دارد، فرم­های متنوع اتمی و مولکولی، ساختارهای بزرگ زئولیت­ها و آنزیم­ها در گستره کاتالیزرها قرار می­گیرند. کاتالیزرها در محیط­های مختلفی مانند مایعات، گازها یا در سطح جامدات بکار می­رود.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در یک نگاه کلی می­توان کاتالیزرها را به سه زیر مجموعه تقسیم کرد:
کاتالیزور همگن
کاتالیزور ناهمگن
کاتالیزور حیاتی
در کاتالیزر همگن ماده­ای که به عنوان کاتالیزر کار می­ کند، با مواد واکنش دهنده در یک فاز گاز یا مایع هستند. هنگامی که یک مرز مشترک فازی، کاتالیزر را از مواد واکنش دهنده جدا سازد آنگاه کاتالیزور را ناهمگن می­نامند. کاتالیزر ناهمگن عمدتاً از طریق جذب سطحی شیمیایی مواد واکنش دهنده روی سطح کاتالیزر صورت می­گیرد.
بسیاری از فرایندها به اعمالی بستگی دارند که با کاتالیزر صورت می­گیرند. ولی کاتالیزرهایی که برای انسان اهمیت بیشتری دارند، کاتالیزورهای طبیعی یعنی آنزیم­ها هستند. این مواد فوق العاده پیچیده، پروتئین­های بزرگی هستند که فرایندهای حیاتی مانند گوارش و سنتز سلولی را کاتالیز می­ کنند.
کاتالیزورها می­توانند بصورت اکسیدها، نیتریدها، اسیدها، نمک­ها، بکار بروند. تهیه و آماده ­سازی کاتالیزورها ترکیبی از علم و هنر است اما اساس آن برمبنای آزمایش می­باشد. کاتالیزرها برحسب نوع فرایندی که در آنها مورد استفاده قرار می­گیرند به شکل­ها و اندازه­ های متفاوتی (میکروسکوپیک، مزوسکوپیک، ماکروسکوپیک) ساخته می­شوند.
در هر کاتالیزر 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.
کاتالیزرهای جامد از سه جزء اصلی تشکیل شده ­اند: ۱- فاز فعال ۲- پروموتر ۳- پایه
- انتخاب فاز فلز در تهیه کاتالیزور نقش بسیار مهمی دارد. فلز بایستی طوری انتخاب شود که واکنش­های مورد نظر را به طور کامل انجام داده و قادر به انجام واکنش­های ناخواسته نباشد. فاکتورهای مهم در انتخاب فاز فعال عبارت­اند از: فعالیت، گزینش پذیری، پایداری حرارتی و مکانیکی، قابلیت بازیابی، قیمت، اندازه و شکل ذرات.
- پروموتر به موادی گفته می­ شود که به مقدار خیلی کم به کاتالیزور افزوده می­گردد تا فعالیت بهتر، گزینش­پذیری یا پایداری بیشتری را در آن ایجاد کند این ترکیبات به دو صورت فلزی و اکسیدی در ساختار کاتالیزور می­توانند وجود داشته باشند.
- اصطلاح پایه به موادی اطلاق می­ شود که قسمت بدنه کاتالیزر را تشکیل می­ دهند و جزء فعال کاتالیزور و تقویت کننده­ها روی آن قرار می­گیرند. پایه کاتالیزور اغلب موارد اصلاً فعالیت کاتالیزوری ندارد. اولین خاصیتی که یک پایه کاتالیزور باید داشته باشد خنثی بودن آن از نظر شیمیایی است. پایه کاتالیزور مقاومت مکانیکی و حرارتی لازم را می­دهد و آن را در مقابل خرد شدن و کلوخه شدن محافظت می­ کند .
کاتالیزورها دو نقش مهم در علوم نانو Nano)) دارند:
۱-از کاتالیزورها بوسیله برخی از روش ها برای تهیه نقاط کوانتومی نانو لوله ها و نانو ساختار های متنوع دیگر استفاده می شود.
۲-برخی از نانو ساختار ها خودشان می توانند به عنوان کاتالیزور برای انجام دیگر واکنش ها عمل کنند. بنابراین نانو ذرات به دلیل داشتن سطح ویژه یزیاد فعالیت کاتالیستی بیشتری نیز خواهند داشت و راندمان واکنش های شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زاید و آلودگی ها را کم می کند [۲۱].
۱-۳۱- مفهوم فوتوکاتالیست ها و نحوۀ عملکرد آنها:
کلمه فتوکاتالیست از فتو به معنای نور و کاتالیست تشکیل شده است. کاتالیست در حوزه شیمی به موادی گفته می­ شود که قابلیت سرعت بخشیدن به واکنش را دارا بوده و عملاً در واکنش شرکت نکرده و صرفاً تامین کننده و یا مسبب واکنش می­باشد. فتوکاتالیست­ها موادی هستند که انرژی را از طول موج خاصی از نور دریافت و باعث انجام واکنش می­گردند. فتوکاتالیست­ها مواد پاک کننده محیطی هستند، هنگامی که نور خورشید و یا فلوئورسانس به آنها برخورد می­ کند از روی سطوح آلودگی­ها را برمی­دارند و می­توانند ترکیبات آلی مثل باسیل­ها و بوها را از بین ببرند.
بعضی از ویژگی­های ذرات که در فعالیت فوتوکاتالیستی موثر هستند عبارتند از:
ابعاد ذرات
ساختمان کریستال
سطح هیدروکسیل شونده
شدت تابش نوری
جذب سطحی آلودگی
pH محلول
روش آماده سازی
۱۱۴– کاربردها و برخی از خواص فتوکاتالیست­ها
شکل (۱-۴). طرح شماتیکی از خواص فتوکاتالیست­ها
تصفیه آب آلوده: با بهره گرفتن از فتوکاتالیست­ها هیدروکربن­های آلیفاتیک کلردار، کلرزدایی شده و به و شکسته می­شوند. در فرایند تصفیه آب پودر فتوکاتالیست به آب اضافه می­ شود و یا آنکه بر روی یک زمینه پوشش داده شده و آب از روی آن عبور داده می­ شود. تحقیقات نشان می­دهد که فتوکاتالیست­ها نه تنها آلودگی­های ذکر شده، بلکه ترکیبات رنگی و بدبو را نیز از بین می­برد.
تصفیه هوای آلوده: اغلب موثرتر از آب­های آلوده است، زیرا سنتیک فاز گازی این امکان را می­دهد که واکنش­ها سریعتر از فاز مایع رخ دهد. در فرایند تصفیه هوا، فتوکاتالیست باید بر روی سطحی به صورت معلق قرار گیرد تا جریان گاز از روی آن عبور کرده و واکنش انجام شود. این سطح معمولاً به صورت ماتریسی با مساحت سطح بالا است که در معرض تابش اشعه UV قرار دارد.
خاصیت آبدوستی: خاصیت آبدوستی فتوکاتالیست­ها به هنگام تابشUV است سطح فتوکاتالیست در معرض اشعه UV آبدوست می­ شود که این خاصیت از مه گرفتگی به عنوان مثال شیشه وآینه جلوگیری می­ کند.
خواص خود تمیز شوندگی: با ایجاد پوشش از فتوکاتالیست بر روی نمای خارجی ساختمان­ها و
سازمان­های مختلف می­توان تنها به وسیله استفاده از نور آفتاب آلودگی­های موجود را که اکثراً ترکیبات هیدروکربنی می­باشند تجزیه کرد و تنها با بهره گرفتن از آب، این آلودگی­ها را پاک نمود. [ ۲۶،۲۵].
فصل دوم :
نانو کامپوزیت ها
۲-۱-نانو کامپوزیت چیست؟
واژه نانو کامپوزیت به گروهی از مواد شامل دو فاز، که یکی از فازها دارای حداقل یک بعد در ابعاد نانومتری باشد، اطلاق می­ شود. از این دو فاز، یکی فاز پایه یا ماتریس است که قسمت اعظم وزن نانوکامپوزیت را تشکیل می دهد، و دیگری فاز پرکننده، که نقش تقویت کنندگی دارد. ماتریس می تواند پلیمری، سرامیکی و یا فلزی باشد. از فیلرهایی که دارای یک بعد در ابعاد نانومتر هستند می­توان به فیلرهای خاک رس یا سیلیکات‌های لایه‌ای اشاره نمود. نانو ذرات کروی نظیر نانو ذرات  و  و … نانو ذرات سه بعدی هستند. نانو تیوب‌ها هم نوع دیگری از فیلرها هستند که از نظر قطر در ابعاد نانومتری قرار دارند و نانوذرات دو بعدی محسوب می‌شوند .
اولین تغییری که در مواد با کاهش اندازه ذرات مشهود است، افزایش سطح ویژه می‌باشد. افزایش نسبت سطح به حجم نانو ذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی، واکنش پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش می دهد، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به کلوخه ای شدن دارند. البته این موضوع مزایای زیادی نیز در پی خواهد داشت. به عنوان مثال با بهره گرفتن از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیت‌ها با بهره گرفتن از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار نمود و در نتیجه استحکام کامپوزیت به شدت افزایش می یابد. البته موارد ذکر شده منوط به در تماس بودن حداکثر سطح نانو ذرات با محیط خارجی و ماتریس است و هرچه سطح تماس مؤثر کمتر باشد، کارایی نانو ذرات به شدت افت می کند.
۲-۲- شیمی و فناوری نانو
در ۱۰ تا ۱۵ سال گذشته، پیشرفت در علوم فناوری نانو همراه با روش­های جدید برای ساخت، مطالعه و اصلاح نانوذرات و نانوساختارها بوده است. گسترش و پیشرفت در این زمینه ناشی از پیشرفت در نانوشیمی است. نانوشیمی از دو دیدگاه مهم است: یکی این که خواص شیمیایی مختص هر عنصر را در سیستم­های نانومتری بررسی می­ کند و مسائل بنیادی جدیدی را در این علم پایه ریزی می­ کند. دیگر این که علم نانوشیمی می ­تواند به ساخت، اصلاح و پایداری نانوذرات منفرد کمک کند و همچنین به تهیه نانوساختارهای خودآرا کمک می­ کند. به هر حال تغییر خواص ساختارهای تهیه شده توسط تغییر اندازه و شکل نانو ذرات به طور دلخواه امکان پذیر است. نانوشیمی در مرحله سریعی از پیشرفت است و هنوز سوالات زیادی در مورد تعاریف و واژه ­ها وجود دارد. تفاوت دقیق بین خوشه، نانوذره و نقاط کوانتومی هنوز در تحقیقات مشخص نیست اما به طور کلی واژه خوشه بیشتر برای ذراتی که شامل تعداد کمی از اتم­ها هستند استفاده می­ شود که تعداد اتم­ها می­توانند از قواعد آماری نیز پیروی کنند. در حالی که نانوذره به تعداد اتم­های کلوخه شده بیشتری اطلاق می­ شود. واژه­ی نقاط کوانتومی برای ذرات و جزایر نیمه هادی استفاده می­ شود.
تعداد زیادی از واژه­ های مختلفی مانند: نانوبلور، نانوفاز، نانوسیستم، نانوساختار، نانوکامپوزیت و غیره در علم نانو بوجود آمده است که هر یک دارای تعاریف مشخص منفردی است.
به طور مثال نانوساختار، نانوذرات کلوخه شده با اندازه­ مشخصی است که پیوندهایی بین آن­ها وجود دارد. واکنش مواد شیمیایی در سیستم­های با حجم محدود را می­توان در واژه نانوراکتور طبقه بندی کرد. نانوکامپوزیت سیستمی متشکل از نانوذرات است که توسط ماده­ایی ثانویه در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند و یک نمونه ماکروسکوپیک را تشکیل داده است. در این نمونه­ها واکنش­های بین ذرات بسیار قوی است.
نانوذرات فلزی کمتر از ۱۰ نانومتر انرژی اضافی دارند که باعث می­ شود فعالیت شیمیایی بالایی داشته باشند. ذرات در حدود ۱ نانومتر برای شرکت در واکنش­ها نیاز به انرژی فعال­سازی ندارند و به راحتی در فرایندهای کلوخه شدن شرکت می­ کنند که در نتیجه به تشکیل مواد با خصوصیات جدید در فرایند تشکیل نانوذرات فلزی و یا واکنش با دیگر مواد شیمیایی می­ شود. منبع انرژی چنین ذراتی به دلیل باندهای ایجاد نشده­ی اتم­های سطح و نزدیک سطح است که باعث افزایش غیرعادی پدیده ­ها و واکنش­های سطح می­ شود.
توضیح رابطه بین اندازه و فعالیت شیمیایی یک ذره اغلب مهم­ترین مساله در نانوشیمی است. برای نانوذرات، دو نوع اثرات اندازه مشاهده شده است:
۱- اثر ذاتی یا درونی که به دلیل تغییرات ویژه در سطح مواد توده­ایی و خواص شیمیایی یک ذره است.