حذف علف کش بنتازون به عنوان يک آلاينده در حضور نانو ذرات TiO2/SiO2 که يک نانو کاتاليست
خلاصه فارسي
در سال‌هاي اخير فرآيندهاي اکسايش پيشرفته بعنوان جايگزيني براي روشهاي معمول ديگر در تصفيه آبهاي آلوده مورد بررسي قرار گرفته است. دو نمونه از نانوذرات اکسيدي پرکاربرد در نانوتکنولوژي، TiO2 و SiO2 هستند. خاصيت فوتوکاتاليستي و آبدوستي نانوذرات تيتانيا باعث کاربردهاي فراوان اين ماده در زمينه‌هاي مختلف از جمله پاکسازي هوا و محيطهاي آلوده، تصفيه آب وتجزيه باکتري، فعاليت هاي ضد تومور، کرمهاي ضد آفتاب و … شده است. از طرف ديگر به دليل خاصيت آبدوستي سيليکا، استفاده همزمان از اين نانوذرات در کنار تيتانيا علاوه بر اينکه باعث بهبود خواص فوتوکاتاليستي و آبدوستي تيتانيا مي‌شود، خاصيت خودتميزکنندگي را بروز مي‌دهند. در اين روش با توليد راديکال‌هاي بسيار فعال، مواد آلاينده به صورت غيرانتخابي حذف مي‌شوند. نانوذرات دي‌اکسيد‌تيتانيوم بطور وسيعي در واکنشهاي فتوکاتاليزوري به عنوان کاتاليزور مورد استفاده قرار مي‌گيرند. با کاهش اندازه ذرات و در نتيجه افزايش سطح ويژه کاتاليزور، باعث بهبود فعاليت فتوکاتاليزي آن مي‌شود. افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم که به تدريج با کاهش اندازه ذره رخ مي‌دهد باعث غلبه يافتن رفتار اتم‌هاي واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌هاي دروني مي‌شود, اين پديده بر خصوصيات ذره به صورت جدا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر مي‌گذارد. کوچکتر شدن ابعاد نانو ذرات از طول موج بحراني نور, آن را نامرئي و شفاف مي‌کند. اين خاصيت باعث شده است تا نانو ذرات براي آلاينده‌ها مناسب باشند. در کار حاضر نانوذرات دي‌اکسيد‌تيتانيوم به صورت آناتاز و همچنين نانوکامپوزيت TiO2/SiO2 به روش coating و با استفاده از پيش ماده‌هاي دي‌اکسيد‌تيتانيوم و تترا‌اتيل‌اورتو‌سيليکات تهيه شده و تأثير آن برروي سم بنتازون و ساختار کريستالي و اندازه نانو ذرات بر خواص فتوکاتاليزي بررسي شده است. اندازه بلورهاي دي‌اکسيد‌تيتانيوم با استفاده از معادله شرر در حدود 5/9 نانومتر محاسبه و براي توصيف نانوذرات از طيف‌هاي XRD و تصاوير SEM استفاده شده است. با استفاده از فتوراکتور, همراه با نانو کامپوزيت TiO2/SiO2 سم بنتازون حذف شد.
کليد واژه ها: بنتازون , نانوذرات TiO2/SiO2 , فتوکاتاليست , ساختار کريستالي
مقدمه
پساب خروجي بسياري از کارخانجات صنعتي و معدني حاوي مقادير بالايي از ترکيبات سخت تجزيه‌پذير و سمي همچون سيانيدها و ترکيبات بنزني است. سيستم‌هاي متعارف تصفيه قادر به حذف اين نوع آلاينده‌ها نيستند و براي حذف آن‌ها از روش‌هاي پيشرفته تصفيه از جمله تجزيه فوتوکاتاليستي بوسيله نانوذرات دي اکسيد تيتانيوم استفاده مي‌شود. در سالهاي اخير به علت ويژگي هاي جالب فتوکاتاليستي کريستالهاي دي اکسيد تيتانيوم و تحقيقات زيادي گزارش شده است. استفاده تجاري از نانوذرات دي اکسيد تيتانيوم به عنوان فتوکاتاليست در زمينه هايي چون تصفيه آب، پاکسازي هوا و نيز استريليزه کردن (ضد عفوني کردن) در دنيا فراگير شده است. از دي‌اکسيد‌تيتانيوم براي از بين بردن آلودگي‌هاي آلي چون کلروبي‌فنيل، تولوئن، سورفکتنتها، حشره کش‌ها و ترکيبات فنلي، اسيدهاي کربوکسيلي، سولفيدهاي آروماتيک، هيدروکربن‌ها و رنگ‌هاي آلي استفاده مي شود. فتوکاتاليست سبب اکسيداسيون ترکيبات آلي فرار و هزاران آلاينده هوا مي گردد. اولفين‌ها نسبت به هيدروکربن‌هاي اشباع شده، روي دي‌اکسيد‌تيتانيوم بسيار سريع تر تجزيه شده و آلدئيدهايي تشکيل مي دهند که سپس به طور کامل به دي‌اکسيد‌کربن اکسيد مي گردد. با توجه به اينکه کنترل عامل بيماريزا ( با استفاده ازآفت کش‌ها) در بخش کشاورزي سودمند است اما آفت کش‌ها ميتوانند ايجاد بيماري و مرگ درانسان‌ها مي‌گردند، اين مشکلات ناشي از شرايط مختلف تماس مستقيم و غيرمستقيم انسان با آفت‌کش‌ها مي‌باشد. به محض اينکه پوست در معرض سم قرار مي گيرد، ممکن است سم در بدن جذب يا تنها در سطح پوست باقي بماند. اثرموضعي عمومي که از تأثير سم بر روي پوست ديده مي‌شود، مشکلاتي از قبيل درماتيت‌ها (حساسيت‌هاي پوستي) مي‌باشد. جذب آفت‌کش در بدن مي‌تواند باعث بروز مشکلاتي براي سلامتي انسان بشود: تماس غيرمستقيم با آفت‌کش‌ها ناشي از خوردن غذاهايي است که سموم آفت‌کش در آن نفوذ کرده‌اند و مي تواند باعث افزايش مواد سمي در بدن انسان گردد، که معمولاً وابسته به بودن دراز مدت در معرض اين آفت‌کش‌ها مي‌باشد که ممکن است منجر به بيماري شود ويا اينکه نگردد. تحقيقات نشان داده است که سموم آفت‌کش‌ها باعث سقط جنين، عدم رشد فکري، اثرات مخرب ساختماني در بدن هنگام تولد و نقص‌هايي در اعمال و بافت‌هاي بدن مي شوند. وجود آفت‌کش‌ها در آبهاي زيرزميني براي انسان بسيار خطرناک است و باعث اختلالات ناهنجار در سيستم عصبي، غدد درون‌ريز و سيستم ايمني بدن مي‌شوند. ترکيب آفت‌کش‌ها و کودهاي شيميايي در آب‌هاي زيرزميني باعث ايجاد موارد بسيارخطرناکتر در مقايسه با اثرات تک تک اين مواد مي‌شود. دو نمونه از نانوذرات اکسيدي پرکاربرد در نانوتکنولوژي براي حذف مواد آلاينده، نانوذرات تيتانيا(TiO2) و سيليکا(SiO2) هستند. خاصيت فوتوکاتاليستي و آبدوستي نانوذرات تيتانيا باعث کاربردهاي فراوان اين ماده در زمينه‌هاي مختلف از جمله پاکسازي هوا و محيط‌هاي آلوده، تصفيه آب وتجزيه باکتري، فعاليت‌هاي ضد تومور، کرمهاي ضد آفتاب و … شده است [1]. فرآيند سل-ژل امکان کنترل ترکيب و ساختار در سطح مولکولي وجود دارد ابلمن اولين ژل‌هاي سيليکا را در سال 1846 توليد کرد و کوسا در سال 1870 ژل‌هاي آلومينا را توليد نمود[2].
لذا در صدد آن شديم که سيستمي را براي حذف آلاينده‌هاي حاوي سموم در آب‌هاي کشاورزي با هزينه کم با استفاده از روش فتوکاتاليزور طراحي نماييم.
فصل اول
کليات
اهميت حذف علف کش بنتازون
انسان با پيشرفت‌هايي که در اثر تلاش فراوان بدست آورده سعي در فراهم نمودن زندگي بهتر و آسايش بوده است اما با حاصل آمدن اين پيشرفت‌ها و افزايش فعاليت‌هاي صنعتي، کشاورزي، پزشکي و حتي علمي، آلودگي محيط زيست و منابع طبيعي افزايش يافته و به يکي از بزرگترين مشکلات بشر تبديل شده است. توليد فاضلاب‌هاي صنعتي و بهداشتي و نفوذ آنها به منابع آب و از طرفي محدوديت در منابع آب قابل استفاده در صنعت، کشاورزي و شرب، جوامع بشري را به استفاده بهينه از اين منابع و نيز استفاده مجدد از آب‌هاي آلوده مجبور کرده است. از مهمترين مشکلات روش‌هاي معمول تصفيه آب عدم امکان تصفيه مواد آلاينده در غلظت‌هاي کم و همچنين خواص سمي و مقاوم برخي از آلاينده‌هاست که به سادگي تخريب نشده و در مقابل عوامل بيولوژيکي مقاوم هستند. براي حل اين مشکلات در سال‌هاي اخير تحقيقات زيادي بر روي فرآيندهاي اکسايش پيشرفته (Advanced oxidation processes) صورت گرفته است فرآيند UV/TiO2 يکي از جديدترين و پرکارترين روش‌هاي تصفيه اين نوع آلاينده‌هاست. در اين فعاليت در اکسيد تيتانيم بعنوان فتوکاتاليزور مورد استفاده قرار مي گيرد. استفاده از ذرات بسيار ريز (در اندازه نانو) فتوکاتاليزور در فرآيند UV/TiO2 سرعت آن را به طور قابل توجهي افزايش مي دهد. تحقيقات نانوتکنولوژي در شاخه‌هاي بسيار زيادي در حال انجام است که يکي از آنها سنتر نانوکاتاليزورها مي باشد. در همين راستا تلاش‌هاي زيادي براي سنتر و بکارگيري انواع نيمه‌هادي‌ها بويژه TiO2 در اندازه نانو و کاربرد آن در فرآيندهاي اکسايش پيشرفته صورت گرفته است.
بيان مسئله
تيتانيوم‌دي‌اکسيد به عنوان يک فوتوکاتاليزور هتروژن به دليل ارزاني و فعال بودن از نظر شيميايي و توليد حفرات اکسنده و همچنين پايداري نسبتا, يک فوتوکاتاليزور ايده آل محسوب مي‌شود و ضمن آنکه غيرسمي است و به وسيله سانتريفيوژ يا صاف کردن بازيافت مي‌شود و پس از انجام تصفيه، آلاينده ديگري بر جاي نمي‌گذارد. اما به هر حال کاربردهاي آن در فاز آبي به علت اينکه تيتانيوم‌اکسايد سطح قطبي دارد و در نتيجه جاذب خوبي جهت مولکول‌هاي آلي غيرقطبي نمي‌باشد محدود مي‌شود. يک راه حل جهت حذف اين محدوديت نشاندن آن بر روي بسترهاي مناسب است که موجب بهبود خواص کاتاليزوري آن ميشود. علاوه بر‌آن هنگامي که بر روي يک بستر تثبيت شود فعاليت خود را براي مدت طولاني حفظ مي کند. از طرف ديگر در سال‌هاي اخير مطالعات گسترده‌اي بر روي کاربرد مواد در حاليکه با فوتوکاتاليزور تيتانيم‌اکسايد مخلوط يا پوشش داده شده‌اند متمرکز شده است. اين پوشش ها گاه به عنوان حذف آلاينده هاي گوناگون موجود در هوا و گاه جهت فوتوکاتاليز آلاينده‌هاي آلي موجود در آب و فاضلاب به کار مي‌روند.
اهداف پژوهش
با توجه به اينکه مواد نيمه‌رسانا با ساختار نانو به واسطه محدوديت خواص نوري، الکتريکي و فتوالکتروشيميايي خود در کانون تحقيق علمي قرار گرفته‌اند از اين حيث دي‌اکسيد‌تيتانيوم و دي‌اکسيد‌سيليسيوم پوشش داده شده به واسطه کاربردهاي مهم خود در تصفبه و پاکسازي محيط زيست و خواص فتوکاتاليزوري و خاصيت خودتميز شوندگي، آنتي باکتريال، تصفيه هوا مي‌توان بيشترين تحقيقات را روي آن انجام داد. از زماني که فوجي شيما و هوندا تجزيه فتوکاتاليزوري آب در دي‌اکسيد‌تيتانيوم را کشف کردند، خاصيت فتوکاتاليزوري اين ماده به شدت مورد مطالعه قرار گرفت.
در اين کار تحقيقي علاوه بر نانو ذره TiO2 از SiO2 پوشش داده شده بر روي TiO2 استفاده شده است.
نانو کاتاليست TiO2/SiO2 مي تواند قدرت تجزيه فتوکاتاليزوري بر روي ترکيبات آلي از خود نشان دهد، يکي از جالبترين کارها تحقيق بر روي ترکيبات طبيعي مي باشد که با تجزيه آنها به يک سري ترکيبات مي رسيم که مي توان از لحاظ بيولوژيکي فعاليت آنها را مورد بررسي قرار داد.
در کار پژوهشي حاضر حذف علف کش بنتازون به عنوان يک آلاينده در حضور نانو ذرات TiO2/SiO2 که يک نانو کاتاليست است و تحت تابش نور UV ودر شرايط فتورآکتوري مورد مطالعه قرار گرفته است و همچنين تأثير ساختار کريستالي واندازه ذرات بر خواص فتوکاتاليزي آنها بررسي شده است.
اهداف کاربردي اين تحقيق از اين جهت اهميت پيدا ميکند که بنتازون ميتوانند در اثر تجزيه آلايند گي محيط را کم نمايد.
مطالعه وبررسي اين ترکيبات ومقايسه ان بابررسي انجام شده توسط ذرات نانو ميتواند گشايش خوبي در علم شيمي داشته باشد.
آشنايي با فناوري نانو
1-4-1- نانوتکنولوژي
فناوري نانو واژه‌اي است کلي که به تمام فناوري هاي پيشرفته در عرصه کار با مقياس نانو اطلاق مي‌شود معمولاً منظور از مقياس نانو ابعادي در حدود nm1 تا nm100 مي‌باشد (1 نانومتر يک ميليارديم متر است).
فناوري نانو، خيلي قبل تر در سال 1959 ريچارد فاينمن طي يک سخنراني با عنوان فضاي زيادي در سطوح پايين مي‌باشد فناوري نانو را مطرح ساخت. او پيش بيني کرد که روزي خواهد رسيد که تمام محتويات کتب کتابخانه هاي بزرگ دنيا را بتوان درون چيزي به اندازه يک ذره غبار جا داد. واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريو تاينگوچي استاد دانشگاه علوم توکيو در سال 1974 بر زبان ها جاري شد او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد دقيقي که تلورانس ابعادي آن ها در حد نانومتر مي‌باشد به کاربرد در سال 1986 اين واژه توسط اريک درکسلر در کتابي تحت عنوان موتور آفرينش تعريف مجدد شد وي اين واژه را به شکل عميقتري در رساله دکتري خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آن را در کتابي تحت عنوان نانوسيم ها، ماشين هاي مولکولي، چگونگي ساخت و محاسبات آن ها توسعه داد.
کاربردهاي نانوتکنولوژي همه جا همراه با هزينه کمتر، دوام عمر بيشتر، مصرف انرژي پايين تر، هزينه نگهداري کمتر و خواص بهتر است.
تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است که در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. البته کوچک بودن مدنظر نيست بلکه زماني که مواد در اين مقياس قرار مي‌گيرد خصوصيات ذاتي آن ها از جمله رنگ? استحکام? مقاومت خوردگي و غيره تغيير مي يابد]1[.
1-4-2-خواص نانومواد
با گذر از مقياس ميکرو به نانو، با تغيير برخي از خواص فيزيکي و شيميايي روبه رو مي شويم که دو مورد مهم از آن ها عبارتند از : افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومي.
افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم که به تدريج با کاهش اندازه ذره رخ مي دهد، باعث غلبه يافتن رفتار اتم هاي واقع در سطح ذره به رفتار اتم هاي دروني مي شود. اين پديده بر خصوصيات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر مي گذارد. افزايش سطح، واکنش پذيري نانو مواد را به شدت افزايش مي دهد زيرا تعداد مولکول ها يا اتم هاي موجود در سطح در مقايسه با تعداد اتم ها يا مولکول هاي موجود در توده نمونه بسيار زياد است، به گونه اي که اين ذرات به شدت تمايل به کلوخه اي (آگلومره) شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزي، به محض قرار گيري در هوا، به سرعت اکسيد مي شوند. در بعضي مواقع براي حفظ خواص مطلوب نانومواد، جهت پيشگيري از واکنش بيشتر، يک پايدار کننده را بايستي به آن ها اضافه کرد که آن ها را قادر مي سازد تا در برابر سايش، فرسودگي و خوردگي مقاوم باشند. البته اين خاصيت مزايايي هم در بر دارد. مساحت سطحي زياد، عاملي کليدي در کارکرد کاتاليزورها و ساختارهايي همچون الکترودها مي باشد. به عنوان مثالي ديگر با استفاده از اين خاصيت مي توان کارايي کاتاليزورهاي شيميايي را به نحو مؤثري بهبود بخشيد و يا در توليد نانوکامپوزيت ها با استفاده از اين مواد، پيوندهاي شيميايي مستحکم تري بين ماده زمينه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزايش مي يابد. علاوه بر اين، افزايش سطح ذرات، فشار سطحي را کاهش داده و منجر به تغيير فاصله بين ذرات يا فاصله بين اتم هاي ذرات مي شود. تغيير در فاصله بين اتم هاي ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثير متقابلي در خواص ماده دارد. تغيير در انرژي آزاد سطح، پتانسيل شيميايي را تغيير مي دهد. اين امر در خواص ترموديناميکي ماده (مثل نقطه ذوب) تأثير گذار است.
به محض آنکه ذرات به اندازه کافي کوچک شوند، شروع به رفتار مکانيک کوانتومي مي کنند. خواص نقاط کوانتومي مثالي از اين دست است. نقاط کوانتومي کريستال هايي در اندازه نانو مي باشد که از خود نور ساطع مي کنند. انتشار نور توسط اين نقاط در تشخيص پزشکي کاربرد هاي فراواني دارد. اين نقاط گاهي اتم هاي مصنوعي ناميده مي شوند؛ چون الکترونهاي آزاد آن ها مشابه الکترون هاي محبوس در اتم ها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال مي کنند.
علاوه بر اين، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحراني نور، آنها را نامرئي و شفاف مي نمايد. اين خاصيت باعث شده است تا نانو مواد براي مصارفي چون بسته بندي، مواد آرايشي و روکش ها مناسب باشند. مواد در مقياس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده اي از خود بروز مي دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نيز تغيير خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت تر و سراميک نرم تر مي شود. برخي از ويژگي هاي نانو مواد در جدول 1-1 آمده است]2[.
جدول(1-1) برخي ويژگي هاي فيزيکي و شيميايي نانومواد
ويژگيمثالکاتاليستياثر کاتاليستي بهتر، به دليل نسبت سطح به حجم بالاترالکتريکيافزايش هدايت الکتريکي در سراميک ها و نانوکامپوزيت‌هاي مغناطيسي، افزايش مقاومت الکتريکي در فلزاتمغناطيسيافزايش مغناطيسيته با اندازه بحراني دانه ها، رفتار سوپر پارامغناطيسيته ي ذراتنوريخصوصيات فلوئورسنتي، افزايش اثر کوانتومي کريستال هاي نيمه هاديبيولوژيکيافزايش نفوذپذيري از بين حصارهاي بيولوژيکي و بهبود زيست سازگاري
1-4-3-تقسيم بندي عمومي محصولات نانومواد
بر اساس فن آوري به کار رفته و نوع محصول توليدي، مي توان در اين طبقه بندي، به نانوذرات (به عنوان پيش ماده يا اصلاح کننده پديده هاي شيميايي و فيزيکي)، نانولايه، نانوپوشش هاي حفاظتي و نانولوله ها اشاره کرد.
نانولايه ها و نانوروکش ها
نانوروکش ها، سطوحي تک لايه يا چند لايه با ضخامت 1 تا 100 نانومتر هستند. روکش هاي مبتني بر نانوذرات خواص مختلفي را از خود بروز مي دهند. استحکام و مقاومت سايشي جزء خواصي هستند که بيشترين مزيت را در نانوروکش ها داشته و شفافيت نيز در مورد آنها حائز اهميت است. خصوصاً در حالتي که افزايش سختي بدون کدر شدن سطح نياز باشد. استفاده از روکش ها روي سطوح سراميکي، باعث ضدخش شدن و تميز شدن راحت تر سطوح مذکور مي گردد. همچنين مي توان از نانوروکش هاي سخت و ضدخش براي روکش دهي شيشه هاي عينک استفاده کرد.
روکش ها به طور اجتناب ناپذيري کاربردهايي همچون حفاظت وسايل الکترونيکي سفينه هاي فضايي در برابر تشعشع و حفاطت حرارتي براي ورود مجدد به جو را خواهند داشت.
روکش هاي سراميکي نانوذره اي، موجب پايداري حرارتي و مقاومت فرسايشي در قطعات موتور مي شوند.
روکش هاي حاوي نانوذرات فلزي که کاربردهاي مشخصي در کامپيوترها و تجهيزات الکترونيکي دارند، در مقابل تداخل الکترومغناطيسي ممانعت خوبي نشان مي دهند.
نانوپوشش ها
نانوپوشش ها عمدتاً به منظور افزايش مقاومت در برابر خوردگي و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي.
نانوسيم ها
نانوسيم، يک ساختار دو بعدي است. و به دليل اينکه در اين ابعاد اثرات کوانتومي مهم هستند، اين سيم ها، سيم هاي کوانتومي نيز ناميده مي شوند نانوسيم ها براي ساخت مدارات الکتريکي در اندازه هاي کوچک استفاده مي شوند.
1-4-4- عناصر پايه در فناوري نانو
عناصر پايه در فناوري نانو بر اساس نوع ساختار يا ابعاد آن ها تقسيم بندي مي شوند.
1- نانوذرات
2- نانوکپسول ها
3- نانوامولسيون ها
4- نانولوله ها
نانوذرات
اولين و مهمترين عنصر پايه? نانو ذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است ذره اي است که ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر مي باشد. نانو ذرات در اندازه هاي پايين نانوخوشه1به حساب مي آيند.
تعيين مشخصات نانوذرات براي کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروري مي باشد. نانوذرات مي توانند از مواد مختلفي تشکيل شوند? مانند نانوذرات فلزي? نانوذرات سراميکي، نانوذرات نيمه رسانا و غيره.
نانوکپسول ها
دومين عنصر پايه، نانوکپسول ها است. همان طوري که از نام آن مشخص است، کپسول هايي هستند که قطر نانومتري دارند و داراي يک پوسته و يک فضاي خالي جهت قرار دادن مواد موردنظر در داخل آن مي باشد.
نانوامولسيون ها
نانوامولسيون ها از مولکول هاي سورفکتانت، نظير فسفوليپيدها که از يک طرف آب گريز (هيدروفوبيک) و از يک سمت آب دوست (هيدروفيليک) هستند تشکيل مي شوند. هنگامي که اين مولکول ها در يک محيط آبي قرار گيرند، خود به خود کپسولهايي را شکل مي دهند که قسمت آبگريز مولکول در درون آنها واقع مي شود و لذا از تماس با آب محافظت مي شوند. ليپوزوم ها ساختارهايي از جنس چربي هستند که در اين دسته قرار مي گيرند. اين ترکيبات در صنايع آرايشي کاربرد زيادي دارند.
نانولوله ها
نانولوله ها به نانوساختارهايي اطلاق مي شود که قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر مي باشد صرف نظر از استحکام کششي بالا، نانولوله ها خواص الکتريکي مختلفي از خود نشان مي دهند که به ساختار آن ها وابسته است.
لفظ نانولوله در حالت عادي در مورد نانولوله کربني به کار مي رود که در چند سال اخير از سوي محققين مورد توجه فراواني قرار گرفته اند و در کنار خويشاوندان نزديکش همچون “نانوشاخ ها”2نويدبخش کاربردهاي جالبي شده اند البته اشکال ديگري از نانولوله هاي نيتريدبور و نانولوله هاي خودآرايي آلي نيز ساخته شده اند.
نانولوله ها در زمينه هاي مختلفي کاربرد دارند که عبارتند از:
_ مواد ساختماني
_صنايع الکترونيک
_قطعات نشر ميداني
_پيل هاي سوختي و باتري ها
1-4-5- نانوساختارها
اگر تنها يکي از ابعاد نانوساختارسه بعدي در محدوده ي نانو باشد، آن را”Quantum well” مي نامند. ” Quantum wire ” ساختاري است که دو بعد آن در محدوده ي نانو است، در حالي که “Quantum dot” داراي سه بعد نانو متري است.
مثال هايي از نانوساختارها
1)ساختارهاي صفر بعدي، باکي بال ها هستند که معروف ترين آنها C60 است. مولکول C60 شامل 60 اتم کربن است و اين اتم ها مانند يک توپ فوتبال که از 12 پنج ضلعي و 20 شش ضلعي تشکيل شده در کنار هم قرار گرفته اند. اين ساختار توپي شکل در شکل 1-1 نمايش داده شده است. اين ساختارها در هر سه بعد، نانويي بوده و مولکول C60 داراي قطري در مرتبه 7/0 نانومتر است.
شکل(1-1) انواع فولرين ها
2)ساختاريک بعدي، نانولوله هاي کربني که در دو راستا، داراي قطر نانومتري بوده و در راستاي محور لوله، ميکروني هستند و نسبت طول به قطر نانولوله ها در حدود 1000 بوده و نانولوله ها تماماً از پيوند sp2 تشکيل شده اند (شکل 1-2).
شکل(1-2) نانولوله هاي کربني
3)ساختارهاي دو بعدي گرافن که در يک راستا نانومقياس بوده و داراي ضخامت از مرتبه آنگستروم هستند. گرافن (به انگليسي: Graphene) نام يکي از آلوتروپ‌هاي کربن است. و براي نخستين بار در سال 1947 فيليپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌هاي زيادي براي ساخت آن صورت گرفته بود اما قضيه‌اي به نام قضيه مرمين-واگنر در مکانيک آماري و نظريه ميدان‌هاي کوانتومي وجود داشت که ساخت يک ماده دوبعدي را غيرممکن و چنين ماده‌اي را غيرپايدار مي‌دانست. اما به هر حال در سال ????، آندره گايم و کنستانتين نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت اين ماده شده و نشان دادند که قضيه مرمين-واگنر نمي‌تواند کاملاً درست باشد. جايزه نوبل فيزيک ???? نيز به خاطر ساخت ماده‌اي دوبعدي به اين دو دانشمند تعلق گرفت (شکل 1-3).
شکل(1-3) گرافن
4) ساختارهايي سه بعدي گرافيتي که ساليان بسيار زيادي است بشر آن را مي شناسد. گرافيت يکي از آلوتروپ هاي کربن است که ساختار لايه-لايه داشته و به رنگ سياه است واز قرار گرفتن ? اتم کربن به صورت ? ضلعي منظم پديد آمده است. هيبريداسيون اتمهاي آن از نوع sp2 است و اين اتم‌ها با پيوند کووالانسي به هم متصلند و نمي توانند با کربني خارج از اين لايه پيوند کوالانسي دهند بنابراين يک لايه گرافيت از طريق پيوند واندر والس -که پيوند ضعيفي است- به لايه‌هاي زيرين متصل است اين خاصيت سبب مي‌شود لايه‌هاي گرافيت به راحتي به روي هم بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب براي “روان کاري” و “روغن کاري” استفاده مي شود. از گرافيت به عنوان الکترودهاي کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتريکي، رنگ‌ها، فولادهاي پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافيتي و … استفاده مي‌شود. نوک مدادهاي زغالي از جنس گرافيت هستند که ساختار سه بعدي ساخته شده از ورقه هايي از شبکه هاي شش ضلعي دارد (شکل1-4).
شکل(1-4) گرافيت
5)آلوتروپ ديگر کربن الماس است که برعکس گرافيت هيبريداسيون sp3 داشته و رساناي جريان الکتريکي نيست و سختي بالايي دارد (شکل 1-5).
شکل(1-5) الماس
1-4-6- کاربردهاي فناوري نانو
بکارگيري نانوفناوري در علوم مختلف باعث پيشرفت شگرفي در آنها شده و بسياري از علوم مختلف را تحت تأثير قرار داده است. در اينجا بخشي از تأثيرات و کاربردهاي نانوفناوري در علوم مختلف را بيان مي کنيم.
1-4-6-1-کاربرد فناوري نانو در صنعت
نانوفناوري در زمينه هاي پيچيده تر و صنعتي تري نيز ايفاي نقش مي کند. صنايع رباتيک، هوافضا و نظامي از اين دست هستند که هريک به نوبه خود با زندگي مردم در ارتباط هستند.
1)صنايع رباتيک
مهمترين تأثيري که فناوري نانو در رباتيک مي تواند بگذارد ساخت نانوربات هاست.
اين نانوربات ها مي توانند با توجه به اندازه بسيار بسيار کوچک خود، خود را به مناطق آسيب ديده رسانده و پس از تزريق مستقيم دارو به محل و بررسي هايي که انجام مي دهند بيماري را درمان کنند.
2)صنايع نظامي
به کارگيري فناوري نانو در صنايع نظامي به خصوص در زمينه امنيتي – دفاعي در دهه اخير مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از اين فناوري در تجهيزات دفاعي راه هايي به سوي بهبود اسلحه ها، ابتکار در ساخت مواد با وزن سبک و مقاوم به دماي بالا براي هواپيماها، راکت ها و ايستگاه هاي فضايي را هموار نموده است. تسلط اطلاعاتي از طريق نانو الکترونيک پيشرفته، به عنوان يک توانايي مهم نظامي، کارايي بالاتر در تجهيزات نظامي و استفاده از ربات هاي پيشرفته به جاي استفاده از نيروي انساني نظامي، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت از عوامل شيميايي، کاهش خطر براي سربازان و بهبود کارايي خودروهاي نظامي از ديگر قابليت هاي اين فناوري نوين در حوزه نظامي – دفاعي و امنيتي است.
3)صنايع هوافضا
با پيشرفت فناوري و ورود آن به عرصه فضا، سفرهاي فضايي، ساخت كاوشگرها، مدارگردها و سفينه هاي فضايي ساده تر و مقرون به صرفه تر خواهد شد. ربات هاي فضانورد با قيمتي ارزان توليد و به منظور شناسايي و انجام آزمايشات روي كرات ديگر به فضا و ساير كرات فرستاده خواهند شد.
اندازه ماهواره هاي ارسالي به فضا كاهش خواهد يافت و ديگر نيازي به استفاده از موشك هاي غول پيكر جهت فرستادن ماهواره اي چند تني به فضا و قرار دادن آنها در مدار نخواهد بود و به اين ترتيب از هزينه هاي گزاف پرتاب موشك هاي غول پيكر كاسته خواهد شد.
نانو حسگرها، يا سامانه هاي پيشران بسيار كارآمد، نمونه هاي ديگري از كاربرد فناوري نانو هستند. حفاظت در برابر تابش هاي كيهاني از كاربردهاي ديگر و اساسي نانوفناوري در سفرهاي فضايي است. به گفته دانشمندان، خطر قرار گرفتن در معرض تابش هاي فضايي مهمترين عامل محدودكننده طول مدت سفرهاي فضايي و اقامت انسان در فضا است و لذا هم اكنون تحقيقات فراواني به طور خاص در اين زمينه در حال انجام است.
طراحان سفينه هاي فضايي به اين منظور و نيز به منظور رفع مشكلاتي مانند دوام ساختار روكش حفاظتي سفينه هاي فضايي، درجستجوي موادي هستند كه قادر باشد به آنها در توسعه و ساخت روكش چند كاره بدنه سفينه هاي فضايي كمك نمايد. منظور نانوحسگري است كه بتواند حفاظت مؤثري در برابر تابشهاي فضايي ايجاد كند و در عين حال ذخيره انرژي خوبي هم داشته باشد و همچنين قادر باشد در صورت صدمه ديدن بخشي از پوشش حفاظتي فضاپيما و نياز به انجام تعميرات خود به ترميم خود بپردازد.
از نانو همچنين در ساخت لباس فضانوردان استفاده خواهد شد. لباس فضانوردان در عين داشتن مقاومت بالا در مقابل پرتوهاي پرانرژي كيهاني بايد سبك و راحت باشد به گونه اي كه در حركات فيزيكي فضانوردان اختلال و يا محدوديتي ايجاد نكند و فضانوردان قادر باشند با آرامش و آزادي عمل بيشتري به انجام تحقيقات در فضا و يا روي سطح كرات ديگر بپردازند.
1-4-6-2- كاربردهاي فن‌آوري نانو در صنايع غذايي
حوزه‌هاي كاربردي فن‌آوري نانو درصنايع غذايي را مي‌توان به صورت شكل زير خلاصه كرد.
حوزه‌هاي مختلف كاربردي فن‌آوري نانو در غذا و صنايع غذايي به شش دسته نگهداري غذا، بهبود طعم و رنگ، سلامت غذا، بسته‌بندي، توليد غذا و فرآيندهاي غذايي تقسيم‌بندي مي‌شوند. شكل زير اين تقسيم‌بندي همراه با زيرگروه‌هاي هريك را نشان مي‌دهد. در ادامه به تشريح هر قسمت و نمونه‌هاي كاربردي مربوطه كه تا به حال وجود داشته است، پرداخته مي‌شود.
1)نگهداري
فن‌آوري نانو از سه طريق مي‌تواند در نگهداري موادغذايي مؤثر واقع شود:
ضدعفوني و ضد ميكروب كردن سطوح: فن‌آوري نانو با جابه‌جا كردن سطح پوشش مواد مي‌تواند تقريباً از ورود هر ميكروارگانزيم يا ميكروب به غذا جلوگيري كند. ميكروب‌كش‌ها با نانو ذرات و نانو قطراتي مانند روغن‌هاي گياهي و الك‌ها، دوستدار محيط زيست بوده و براي سلامت انسان بي‌ضرر هستند.
حفاظت آنتي‌اكسيدان‌ها: نگهداري آنتي‌اكسيدان‌هاي حساس مانند ويتامين‌هاي K/E/D/A ، اسيد چرب امگا 3 و ر -كاروتن همواره يك عامل كليدي در حفظ غذا بوده است. استفاده از نانو حفره‌ها مي‌تواند از خراب شدن چنين مواد بي‌ثباتي در طول فرآيند و در زمان انبارداري جلوگيري كند.
دست‌ورزي و كنترل فعاليت آنزيم‌ها: فن‌آوري نانو در شناسايي و طراحي ساختمان آنزيم‌ها كاربرد مهمي دارد. فن‌آوري نانو توانايي كنترل متابوليسم آنزيم‌ها توسط تغيير در ساختمان و افزودن ديگر ذرات فعال را دارد. بنابراين مي‌توان فعاليت‌هاي آنزيم‌ها را از اين طريق تحت كنترل درآورد.
2)توليد
كاربرد فن‌آوري نانو در زمينه توليد غذا مي‌تواند از يك سو در صنعت كشاورزي و از سوي ديگر در ابداع راه‌هاي جديد براي توليد غذاهاي غيروابسته به شرايط طبيعي، مورد اهميت قرار گيرد. عمده اين كاربردها عبارتند از:
آناليز و شناسايي محصولات كشاورزي: چيپ‌ها يا نانوسنسورها مي‌توانند آفت، آنتي‌بيوتيك‌ها و ژن‌هاي مختلف را دقيقاً تشخيص دهند.
توليد غذاهاي GM : باكي‌بال‌هاي قالب‌ريزي شده با اطلاعات ژنتيكي مي‌توانند ژن‌ها و عناصر را به نقاط مطلوب حمل كنند.
توليد آفت‌كش/دارو و حمل آن‌ها: مانند زمينه دارويي در انسان، ‌نانو ذرات و نانوكپسول‌ها در بهبود اثر دارو كمك خواهند كرد و اثرات جانبي را كاهش مي‌دهند.
سنتز و توليد غذا: آرايش بسيار ريز افزودني‌هاي غذايي مي‌تواند گروه‌هاي جديد غذايي را با سنتز مواد تغذيه‌اي مورد نياز، طعم دهي تركيبات و پيوند آنزيم‌ها با هم توليد كند. اين روش باعث كاهش زياد وابستگي صنايع غذايي به محيط زيست طبيعي شده و به عنوان يك ايده متفاوت در اين زمينه ‌بدون نياز به ملزومات غذاي طبيعي استفاده مي‌شود.
3)بسته‌بندي و سلامت موادغذايي
چشم‌اندازهاي مالي فن‌آوري‌نانو، صنايع بسته‌بندي را پررونق نشان مي‌دهد. سهم بازار اين صنعت در حال حاضر حدود 1/1 ميليارد دلار است و پيش‌بيني‌ مي‌شود تا سال 2010 به 3/7 ميليارد دلار آمريكا برسد.
در اين قسمت به منظور اطلاع از محصولات تجاري و تحقيقاتي كه در اين حوزه صورت گرفته مثال‌هايي آورده مي‌شود :
شركت Bayer Polymer كيسه‌اي پلاستيكي با نام Durethan KU توليد كرده است كه از محصولات موجود در بازار سبك‌تر و محكم‌تر است، همچنين مقاومت بيش‌تري در برابر گرما از خود نشان مي‌دهد. هدف اوليه از توليد پلاستيك‌هاي بسته‌بندي موادغذايي، جلوگيري از خشك شدن محتويات آن‌ها و محافظت در مقابل رطوبت و اكسيژن است. پوشش جديد غني از نانوذرات سيليكات است. اين نانوذرات تا حد زيادي از نفوذ اكسيژن، گازهاي ديگر و رطوبت جلوگيري مي‌كنند و فساد موادغذايي را به تأخير ‌مي‌اندازند.
سازمان‌هاي ديگر به كمك فن‌آوري ‌نانو در حال يافتن راهي براي تشخيص فساد موادغذايي هستند. به عنوان مثال شركت AgroMicron ، افشانه تشخيص دهنده نانوبيولومينسانس را ساخته كه شامل پروتيين لومينسانت است. در اين طرح، افشانه سطح ميكروب‌هايي مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده و از خود نوري ساطع مي‌كند و در نتيجه فساد موادغذايي تشخيص داده مي‌شود. اين شركت در نظر دارد محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار كند. در حال حاضر اين شركت در حال ساخت افشانه‌هايي با روش‌‌هاي جديد است تا بتواند از آن‌ها در حمل و نقل دريايي استفاده كند.
در راهبرد مشابه، براي اطمينان از سلامت موادغذايي، محققان اتحاديه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهاي قابل حمل براي يافتن مواد شيميايي مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در موادغذايي استفاده مي‌كنند.
با اين عمل، ديگر نيازي به فرستادن نمونه‌هاي موادغذايي به آزمايشگاه براي تشخيص سلامت و كيفيت محصولات در كشتزارها و كشتارگاه‌ها نيست. همچنين اين پروژه، در حال توسعه به كارگيري زيست‌تراشه‌هاي DNA براي كشف پاتوژن‌هاست. اين روش مي‌تواند در تشخيص باكتري‌هاي مضر و متفاوت موجود در گوشت يا ماهي و يا قارچ‌هاي ميوه مؤثر باشد. اين پروژه در نظر دارد با گسترش ميكروحسگرهاي رشته‌ا‌ي، بتواند آفت‌كش‌هاي ميوه و سبزيجات را به همان خوبي كه شرايط محيطي كشتزارها را كنترل مي‌كند تشخيص دهد. اين نوآوري به نام حسگرهاي Good Food ناميده مي‌شود.
1-4-6-3- کاربرد فناوري نانو در صنعت پزشکي
درمان و پيشگيري بيماري‌ها از قابليت‌هاي خوب فناوري نانو به شمار مي‌رود. اين فناوري با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهاي مهندسي‌شده، اعمال ساخت، كنترل، ديدن و ترميم سيستم زيستي انسان در مقياس مولكولي را انجام مي‌دهد.
مثال‌هايي از کاربرد نانوفناوري در پزشکي
1- هدف‌گيري و ارسال دارو به نقاط غير قابل دسترس بدن با تجهيزات نانومتري
2- توليد بافت‌هاي مصنوعي سازگار با بدن
3- توليد سيستم‌هاي هوشمند براي شناسايي بيماري‌هاي در حال ايجاد در بدن
4- درمان برخي از بيماري‌هاي صعب‌العلاج مانند سرطان، ايدز و هپاتيت
5- مراقبت بهداشتي بهتر با استفاده از تجهيزات نانومتري در داخل بدن
1-4-6-4- کاربرد فناوري نانو در مخابرات
يکي از روش هاي بکارگيري فناوري نانو در مخابرات، بهبود اتصالات فيبرهاي نوري است تا انتقال اطلاعات بهتر انجام گيرد]3[ و ]4[.
فصل دوم
مروري بر متون
2-1- نانو کامپوزيت ها
نانو کامپوزيت ها مواد مرکبي هستند که حداقل يکي از اجزاي تشکيل دهنده آن ها داراي ايجاد محدوده 1 تا 100 نانومتر مي باشد در واقع ترکيبات متشکل از ذراتي در مقياس نانو بوده که در يک فاز زمينه پراکنده شده اند نانو کامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي در نظر گرفت که در ابعاد نانومتري داراي فواصل تکراري بين فازهاي مختلف به وجود آورنده ترکيب خود مي باشد .
علت اينکه اين مواد نسبت به کامپوزيت هاي متداول خواص ويژه و مطلوب تري را از خود نشان مي دهند اين است که نيروهاي بين سطح مشترک تقويت کننده در يک کامپوزيت معمولي قوي تر مي باشد.
کامپوزيت ها دو فاز دارند : اصلي زمينه و تقويت کننده هاي نانو متري
انواع تقويت کننده ها:
1)نانو ذرات
2)نانو لوله ها
3)نانو صفحات
4)نانو الياف
کامپوزيت هاي اصلي زمينه:
1)نانو کامپوزيت هاي زمينه پليمري :
خواص بي نظير (مکانيکي ، شيميايي ، فيزيکي) , خاصيت نفوذ پذيري , پايداري حرارتي بالا , استحکام بالا , وزن کم .
با افزودن درصد کمي از مواد نانو به يک پليمر خالص , استحکام تنشي و کششي افزايش چشم گيري مي يابد.
2)نانو کامپوزيت هاي زمينه فلزي :
کم وزن و سبک و استحکام بالا مقامومت و پايداري حرارتي مناسب.
3)نانو کامپوزيت هاي زمينه سراميکي :
به مواد جامدي که بخش عمده تشکيل دهنده آن ها غير آلي و غير فلزي باشد.
ساختمان به شکلي است که معمولا يک فاز نسبت به فاز ديگر داراي دانه بندي کوچکتري است و معمولا يک فاز در ابعاد نانو متري و فاز ديگر در ابعاد ميکروني.
سراميکهاي مهندسي به دو گروه اکسيدي و غير اکسيدي تقسيم مي شوند.
اکسيدي : TiO2تيتانيا ،AL2O3آلومينا ، ZrO2 زيرکومينا
غير اکسيدي: SiC ,TiN
سختي بالا و مقاومت فشاري و پيچشي بالاتر ، مقاومت حرارتي عالي ، رسانايي الکتريکي و حرارتي پايين ، مقاومت سايشي بالاتر و چگالي پايين تر.
مهمترين مشکل شکنندگي بالاي آنها به دليل پيوندهاي يوني و کوالانسي و براي حل آن اضافه کردن و جاسازي الياف و ذرات با ابعاد نانومتري]5[.
2-1-1-خاصيت فتوکاتاليستي :
اگر يک نيمه رسانا در معرض تابش قرار گيرد به صورت يک کاتاليست عمل مي کند.
براساس شتابدهي واکنش هاي نوري در حضور کاتاليست.
فرايند فوتو کاتاليکي به جفت شدن نور فرابنفش با انرژي کم با ذرات کاتاليستي.
اين فرايند شبيه فوتوسنتز است و فوتو کاتاليست به مانند کلروفيل نور خورشيد را به دام مي اندازد و باعث تبديل ترکيب به CO? و آب مي شود.
فرايند سل_ژل شدن عبارت است از:
1)مخلوط پيش ماده 2)شکل دهي 3)ژل شدن 4)پير شدن 5)خشک شدن 6)آب زدايي يا تثبيت شيميايي 7)متراکم کردن و سنتز شدن]6[.
2-1-2-مکانيسم فتو کاتاليست (فرآيند) :
فعالسازي توسط تابش با طول موج لازم براي تشکيل جفت حفره الکترون.
TiO? –> e? + h?
جذب سطحي آب ، ترکيب آلي و راديکال هيدرواکسيل بر روي سطح کاتاليست.
O?² + Ti?? +H?O <– –> H? + Ti?? – OH
ترکيب مجدد حفره و الکترون.
Ti?? +H?O <– –> Ti?? – H?O
Site+R(i) <– –>R(I,ads)
OH +Ti?? <– –> Ti?? /OH
ترکيب مجدد حفره و الکترون و توليد انرژي حرارتي.
e? + h? –>heat
Ti?? -OH? +h?,<– –>TI?? / OH°
به دام افتادن الکترون و حفره.
R(I,ads) +h? <– –> R?(A,ads)
Ti?? +e? <– –> Ti?³
Ti?³ +O? –> Ti?? – O??
حمله راديکال هيدروکسيل تحت شرايط مختلف.
Ti?? /OH° + R° (I,ads) –> Ti??+ R (J,ads)
OH°+ R (I,ads) –> R (J,ads)
Ti?? /OH° +R(i) –> Ti?? + R(j)
OH° +R(i) –> R(j)
2-1-3-اثر O? و H?O? :
در حضور اين عوامل سرعت و بازده تجزيه نوري افزايش مي يابد , نقش اصلي اکسيژن مولکولي جلوگيري از ترکيب مجدد الکترون-حفره است ، زيرا به عنوان دام الکترونهاي نوار رسانش عمل مي کند در اثر اين عمل يون راديکال سوپراکسيد تشکيل مي شود که شديداّ فعال است و به ترتيب خنثي ، راديکال و يون-راديکال جذب شده بر سطح کاتاليزور حمله مي کند. علاوه بر اين کار O? باعث توليد H?O? مي شود که خود اين عامل به عنوان الکترون پذير با الکترون هاي رسانا وارد عمل شده و راديکالهاي هيدروکسيل توليد مي کنند]7[.
H?O? + e? –> OH° + OH?
2-2- نانو کاتاليست‌ و نانوذرات کاتاليستي
کاتاليست، گونه‌اي است که سرعت واکنش را افزايش مي دهد. هدف شيمي دانان، توليد کاتاليستي با فعاليت و بازده بالا، گزينش پذيري کامل، قابليت جداسازي و بازيابي از مخلوط واکنش، مصرف انرژي کم و عمر بالا است. عملکرد کاتاليست با کنترل متغييرهايي همچون اندازه، ساختار، توزيع فضايي و الکتروني، ترکيب سطح، پايداري گرمايي و شيميايي مي تواند تعيين شود. بازده بالا، صرفه ي اقتصادي، هدر رفت کم مواد شيميايي ، مصرف گرما و انرژي پايين، ايمني بالا و استفاده ي بهينه از مواد شيميايي اوليه، از مزاياي نانوکاتاليست است. براي صرفه جويي اقتصادي و استفاده ي بهينه از نانوکاتاليست، معمولا آن را به صورت کامپوزيت مي سازند و سطح آن را مورد اصلاح شيميايي قرار مي دهند. تحقيقات در حوزه ي نانوکاتاليست، همواره يکي از بحث هاي جذاب در نانوشيمي و شيمي سبز بوده است. شيمي سبز به واکنش هاي شيميايي سالم با محصولات بي خطر و با حداکثر بازده (حداقل مصرف ماده و انرژي) مي‌پردازد و نانوکاتاليست مي‌تواند ما را به سوي اين آرمان سوق دهد.
کاتاليست، گونه‌اي است که انرژي فعال سازي واکنش (انرژي اوليه براي انجام واکنش) را کاهش داده و در نتيجه سرعت واکنش را افزايش مي دهد. فلزات واسطه‌ي جدول تناوبي عناصر، رايج ترين کاتاليست ها هستند.
کاتاليست ها به دو دسته ي همگن (Homogeneous) و ناهمگن (Heterogeneous) تقسيم مي شوند. کاتاليست همگن، تک اتم، يون يا مولکول است و با واکنش دهنده ها هم فاز مي باشد. به بيان ديگر، ذرات کاتاليست همگن مي توانند به راحتي در مخلوط واکنش حل شوند. کاتاليست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا توليد و بازيابي مي‌شود. فعاليت بسيار بالا، گزينش پذيري و بازده خوب ، از محاسن اين گونه از کاتاليست مي باشد. بهبود در عملکرد کاتاليست هاي همگن مي تواند با اتصال گروه هاي متفاوت آلي و معدني به ذره اصلي فراهم شود. مشکل اصلي در فناوري کاتاليست هاي همگن در آنجاست که پس از اتمام واکنش، جداسازي کاتاليست حل شده از مخلوط نهايي کار ساده اي نيست. اين مشکل به ويژه در زماني که کاتاليست در مقادير کم مصرف مي شود، خود يک چالش بزرگ است]8[ و ]9[.
کاتاليست ناهمگن، با واکنش دهنده ها در يک فاز نيست. اندازه و خصوصيت ذرات کاتاليست ناهمگن به صورتي است که به راحتي در محيط واکنش حل نمي شود؛ از اين رو فعاليت آن محدود مي گردد (بازده کل واکنش کاهش مي يابد). برخلاف کاتاليست هاي همگن، کاتاليست هاي ناهمگن به راحتي (با صرف هزينه، زمان و مواد کمتر) از مخلوط واکنش جدا مي شوند و موجب ناخالصي محصولات نمي گردند. براي آنکه کمبود سطح فعال در اين گونه ترکيبات جبران شود، استفاده از يک بستر در نقش تکيه گاه



قیمت: تومان


پاسخ دهید