Кіріспе

Наноматериалға негізделген катализаторлар әдетте, катализдік процесті жақсарту үшін металл нанобөлшектеріне жіктелген гетерогенді катализаторлар болып табылады. Металл нанобөлшектерінің үлкен беттік ауданы катализдік активтілікті арттырады. Нанобөлшекті катализаторларды оңай бөліп, қайта пайдалануға болады. Олар көбінесе нанобөлшектердің ыдырауын болдырмау үшін қалыпты жағдайларда қолданылады.

Функционалды нанобөлшектер

Функционалды металл нанобөлшектері функционалды емес металл нанобөлшектеріне қарағанда еріткіштерге тұрақтырақ келеді. Сұйықтықтарда металл нанобөлшектеріне ван дер Ваальс күші әсер етуі мүмкін. Бөлшектердің бірігуі кейде беттік ауданын азайту арқылы каталитикалық белсенділікті төмендетуі мүмкін. Екі металдан құралған қорытпалар, биметалл нанобөлшектер деп аталады, екі металлдың арасында катализді күшейту үшін қолданылады. Ю және авторлар цитронеллалды гидрлендіруде рутений нанокатализаторларының дәстүрлі катализаторларға қарағанда іріктелмелі екенін анықтады. BINAP функционалды палладий және алтын нанобөлшектері стиролдің гидросиллирленуі үшін жұмсақ жағдайларда қолданылды; олар нанобөлшектері жоқ Pd BINAP кешендеріне қарағанда каталитикалық белсенділігі және тұрақтылығы жоғары екені анықталды. Реакцияны екі металдан тұратын нанобөлшектер де катализдеуі мүмкін.

Органикалық редокстық реакциялар

Адипик қышқылын түзетуге арналған окисыздану реакциясы 3-суретте көрсетілген және оны кобальт нанобөлшектері катализдеуі мүмкін. Pd2(dba)3 қосылысы Pd(0) көзі болып табылады, бұл палладийдің көптеген реакцияларда, соның ішінде кросс-байланыс реакцияларында қолданылатын каталитикалық белсенді көзі. Наноматериалдарға негізделген катализаторларды зерттеудің көп бөлігі отын жасушаларындағы катализаторлық қаптаманың тиімділігін арттыруға бағытталған. Платина қазіргі уақытта осы қолданбадағы ең көп қолданылатын катализатор, бірақ ол қымбат және сирек, сондықтан көптеген зерттеулер басқа металдардың каталитикалық қасиеттерін арттыруға, оларды нанобөлшектерге дейін кішірейте отырып, бір күні платинаға тиімді және экономикалық балама бола алатындай етуге бағытталған. Алтын нанобөлшектері де каталитикалық қасиеттерді көрсетеді, тіпті алтынның көп мөлшерде инертті екеніне қарамастан. Иттриймен тұрақтандырылған цирконий нанобөлшектері қатты оксидті отын жасушасының тиімділігі мен сенімділігін арттыратыны анықталды. Наноматериалдық рутений/платина катализаторларын сутекті сақтау үшін сутекті тазартуды катализдеу үшін қолдануға болады. Палладий нанобөлшектерін органометалл лигандтарымен функционалдастыру арқылы CO және NO тотығуын катализдеуге болады, бұл қоршаған ортадағы ауаның ластануын бақылауға мүмкіндік береді. Көптеген наноматериалдар табиғи ферменттердің әртүрлі түрлерін имитациялау үшін қолданылған, мысалы, оксидаза, пероксидаза, каталаза, SOD, нуклеаза және т.б. Наноферменттер биосенсорлық және биосуреттеуден бастап терапиялық және суды тазартуға дейін көптеген салаларда кеңінен қолданылады.

Электрокатализ үшін наноструктуралар

Нанокатализаторлар отын жасушалары мен электролизерлерде кеңінен қолданылады, онда катализатор тиімділікке зор әсер етеді.

Нанопорозды беттер

Отын элементтерінде нанопорозды материалдар катодтар жасау үшін кеңінен қолданылады. Платинаның кеуекті нанобөлшектері нанокатализде жақсы активтілік көрсетеді, бірақ олар аз тұрақты және қызмет ету мерзімі қысқа.

Нанобөлшектер

Нанобөлшектерді қолданудың бір кемшілігі – олардың бірігіп, үйірленуге бейімділігі. Бұл мәселені дұрыс катализатор таяу материалымен шешуге болады. Нанобөлшектер наносенсорлар ретінде қолдануға өте қолайлы, себебі оларды нақты молекулаларды анықтауға қалыптастыруға болады. Мысалы, көп қабырғалы көміртекті нанотүтіктерге электрохимиялық тұрғызылған Pd нанобөлшектері, қиылыс реакцияларын катализдеуде жақсы белсенділік көрсетті.

Наноқиғаштар

Наносымдар электрокатализ мақсатында өте қызығушылық тудырады, себебі оларды өндіру оңай, ал өндіріс процесінде олардың қасиеттерін бақылау өте нақты. Сонымен қатар, наносымдар кеңістіктегі өлшемдерінің арқасында Фарадей тиімділігін арттыра алады, демек белсенді бетте реакцияға қатысатын заттардың көп болуына мүмкіндік береді.

Материалдар

Электрокатализ процестеріне қатысатын наноқұрылымдар әртүрлі материалдардан құрылуы мүмкін. Наноқұрылымдық материалдарды пайдалану арқылы электрокатализаторлар жақсы физикалық-химиялық тұрақтылыққа, жоғары белсенділікке, жақсы өткізгіштікке және төмен құнға қол жеткізе алады. Металл наноматериалдар көбінесе өтпелі металдардан (көбінесе темір, кобальт, никель, палладий, платина) тұрады. Көп металл наноматериалдар әрбір металдың қасиеттеріне байланысты жаңа қасиеттер көрсетеді. Бұл артықшылықтардың ішінде белсенділіктің, таңдаулылықтың және тұрақтылықтың артуы, сондай-ақ құнның төмендеуі бар. Металдарды әртүрлі тәсілдермен біріктіруге болады, мысалы, ядро-қабық екі металл құрылымында: ең арзан металл ядроны құрайды, ал ең белсендісі (әдетте асыл металл) қабықты құрайды. Осы дизайнды қабылдау арқылы сирек және қымбат металдардың қолданылуын 20%-ға дейін азайтуға болады. Болашақтағы міндеттердің бірі – жақсы белсенділігі бар, әсіресе төмен құнға ие жаңа, тұрақты материалдарды табу. Металл әйнегі, полимерлі көміртек нитриді (PCN) және металл-органикалық каркастардан (MOF) алынған материалдар – қазіргі таңдағы зерттеулерге тартылып отырған электрокатализдік қасиеттері бар материалдардың бірнеше мысалы.

Фотокатализ

Көптеген фотокатализдік жүйелер асыл металлмен біріктіруден пайда көреді; алғашқы Фудзисима-Хонда жасушасы да кокатализаторлық пластинаны қолданды. Мысалы, суды бөлуге арналған дисперсті фотокатализдік реактордың негізгі құрылымы – су дисперсиясы, онда дисперстік фаза жартылай өткізгіш кванттық нүктелерден тұрады, олардың әрқайсысы металл кокатализаторымен байланысқан: кванттық нүкте кіріс электромагниттік сәулеленуді экситонға түрлендіреді, ал кокатализатор электронды қабылдағыш ретінде әрекет етеді және электрохимиялық реакцияның артық потенциалын төмендетеді.

Нанобөлшектердің сипаттамасы

Функционалды наноматериалдық катализаторларды сипаттау үшін қолданылатын кейбір техникаларға рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия, трансмиссиялық электрондық микроскопия, айналмалы дихроизм спектроскопиясы, ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы, Көккөк-көрінетін спектроскопия және осымен байланысты эксперименттер жатады.