الركائز والدعامات والرباطات في محفزات المعادن الثمينة

مقدمة

تُستخدممحفزات الفلزات الثمينة على نطاق واسع في مختلف التطبيقات الصناعية نظرًا لخصائصها التحفيزية الاستثنائية. ومع ذلك، يتأثر أدائها بشكل كبير بالمواد التي ترتبط بها - والتي يشار إليها باسم الركائز أو الدعامات أو الروابط. وتلعب هذه المواد دورًا حاسمًا في تحديد نشاط المحفز وثباته وانتقائيته وقدرته على التجديد. فيما يلي نظرة عامة مفصلة على هذه المكونات وأهميتها في التفاعلات الحفازة.

1- الركيزة: أساس التفاعلات التحفيزية

تُعد الركيزة بمثابة المادة السطحية التي ترتبط بها المعادن الثمينة أو تنتشر عليها أثناء التفاعلات التحفيزية. وهذا مهم بشكل خاص للمحفزات غير المتجانسة. ويُعد اختيار الركيزة أمرًا بالغ الأهمية لأنه يؤثر على تشتت المعادن الثمينة ومساحة السطح والنشاط التحفيزي للمعادن الثمينة.

وتشمل مواد الركيزة الشائعة ما يلي:

• الألومينا (Al₂O₃O₃): تشتهر الألومينا بمساحة سطحها الكبيرة وقوتها الميكانيكية الجيدة، مما يجعلها خيارًا شائعًا للركائز في تفاعلات الهدرجة والأكسدة والإصلاح.
• السيليكا (SiO₂): ركائز السيليكا خاملة كيميائيًا ومستقرة حراريًا بدرجة عالية، مما يجعلها مناسبة للعمليات التحفيزية التي تتطلب انتقائية عالية.
• المواد الكربونية: يوفر الكربون المنشط والأنابيب النانوية الكربونية توصيلًا كهربائيًا ممتازًا ومساحة سطح كبيرة، مما يجعلها ركائز مثالية لمحفزات خلايا الوقود وبعض تفاعلات الاختزال.

2- الدعم: تعزيز أداء المحفز

[1]

الدعامات هي مواد تُستخدم لتفريق المعادن الثمينة على سطح المحفز، وتُستخدم عادةً في المحفزات غير المتجانسة. وتتمثل الوظيفة الأساسية للدعامات في توفير مساحة سطح عالية لدعم تشتت المعادن الثمينة مع استقرار نشاط المحفز.

--الأكاسيد المسامية

تُقدَّر الأكاسيد المسامية مثل الألومينا والسيليكا والتيتانيا بمساحة سطحها العالية وثباتها، مما يجعلها مثالية لتشتيت المعادن الثمينة.

- الألومينا (Al₂O₃O₃): تُستخدم على نطاق واسع لمساحة سطحها الكبيرة (100-300 متر مربع/غرام) وثباتها في العمليات عالية الحرارة مثل الهدرجة والإصلاح.

- السيليكا (SiO₂): تم اختيارها بسبب خمولها وثباتها الحراري (200-600 متر مربع/غرام)، وهي مناسبة لتفاعلات الأكسدة والتكسير التحفيزي.

- التيتانيا (TiO₂): معروف بخصائصه التحفيزية الضوئية، ويستخدم في العمليات المنشطة بالضوء والتحكم في الانبعاثات في تطبيقات السيارات.

-دعامات الكربون

تعتبردعامات الكربون، بما في ذلك الكربون الأسود والكربون المنشط، ضرورية في التطبيقات الكهروكيميائية بسبب توصيلها ومساحة سطحها الكبيرة.

- أسود الكربون: يوفر توصيلية ممتازة، ويستخدم عادةً في خلايا الوقود، حيث يلعب البلاتين على أسود الكربون (Pt/C) دوراً رئيسياً في اختزال الأكسجين.

- الكربون المنشط: مع مساحة سطحه العالية بشكل استثنائي (500-1500 متر مربع/غرام)، فهو مثالي لعمليات الامتزاز والترشيح، ويدعم بشكل فعال التفاعلات مثل الهدرجة.

-أكاسيد المعادن

توفر أكاسيد المعادن مثل الكيريا والزركونيا خصائص أكسدة واختزال فريدة من نوعها، مما يعزز التفاعل مع المعادن الثمينة ويعزز الكفاءة التحفيزية.

- سيريا (CeO₂): فعالة في تفاعلات الأكسدة والاختزال، خاصةً في المحولات الحفازة للسيارات، نظراً لقدرتها على تخزين الأكسجين.

- الزركونيا (ZrO₂): يُعرف بثباته الحراري ومتانته في الظروف القاسية، ويُستخدم عادةً في عمليات الأيزومرة في درجات الحرارة العالية.

3. الروابط: ضبط الخصائص التحفيزية

الروابط هي جزيئات أو أيونات تشكل روابط تنسيقية مع مركز الفلز الثمين، وتستخدم في الغالب في المحفزات المتجانسة. تؤثر بنية الروابط وخصائصها بشكل مباشر على نشاط المحفز وانتقائيته واستقراره.

فيما يلي أنواع الروابط الشائعة:

• الروابط الفوسفينية: تُستخدم مركبات مثل ثلاثي فينيل الفوسفين (PPh₃) على نطاق واسع في تفاعلات الاقتران المتبادل المحفزة بالبلاديوم، حيث تنظم انتقائية التفاعل ومعدله.
• الروابط القائمة على النيتروجين: يمكن أن تضبط الروابط مثل البيريدين وثنائي البيريدين الكثافة الإلكترونية للمعادن الثمينة، مما يؤثر على نشاط التفاعل التحفيزي وانتقائيته.
• الروابط المخلبية: يمكن أن تشكل الروابط مثل EDTA روابط مثل EDTA مخلّبات مستقرة مع المعادن الثمينة، مما يعزز استقرار المحفز، خاصةً في التفاعلات العضوية المعقدة.

العوامل المؤثرة على أداء المحفز

يتم تحديد أداء محفزات الفلزات الثمينة من خلال عدة عوامل مرتبطة بالركائز والدعامات والرباطات.

• مساحة السطح والمسامية: تؤثر مساحة السطح ومسامية الركائز والدعامات بشكل مباشر على تشتت المعادن الثمينة وتوافر المواقع النشطة.
• الاستقرار الكيميائي: يحدد الثبات الكيميائي للدعامات والرباطات متانة المحفز في البيئات القاسية، مثل درجات الحرارة العالية أو الظروف الحمضية/القلوية القوية.
• التأثيرات الإلكترونية وبيئة التنسيق: يمكن للخصائص الإلكترونية وبيئة التنسيق التي توفرها الروابط أن تؤثر بشكل كبير على مسارات التفاعل وانتقائية المحفز.

تكييف المحفزات لتطبيقات صناعية محددة

غالبًا ما يكون اختيار الركيزة والدعامة ومجموعات الروابط مدفوعًا بالمتطلبات المحددة للتطبيقات الصناعية المختلفة. يجب اختيار هذه المواد بعناية لتتناسب مع ظروف التفاعل والنتائج المرجوة.

على سبيل المثال

• تفاعلات الهدرجة: تُستخدم المحفزات المدعومة بالألومينا على نطاق واسع في الهدرجة نظرًا لارتفاع مساحة سطحها وقوتها الميكانيكية.
• خلايا الوقود: تُعد المحفزات المعدنية الثمينة المدعومة بالكربون ضرورية في خلايا الوقود، حيث يتطلب الأمر توصيلية عالية وثباتًا كيميائيًا.
• التخليق الصيدلاني: غالبًا ما تُستخدم المحفزات المعدلة بالليغاند في التخليق الصيدلاني لتحقيق انتقائية وكفاءة عالية في التفاعلات العضوية المعقدة.

لمزيد من الحالات والأمثلة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

قراءة ذات صلة: أنواع التفاعلات الشائعة للمحفزات المعدنية الثمينة المتجانسة

الخلاصة:

يعد اختيار الركائز والدعامات والرباطات المناسبة أمرًا حاسمًا لتحسين أداء محفزات المعادن الثمينة . من خلال اختيار هذه المواد بعناية، من الممكن تكييف خصائص المحفز لتلبية المتطلبات المحددة للتطبيقات الصناعية المختلفة، وبالتالي تعزيز الكفاءة وإطالة عمر المحفز.

مرجع:

[1] حسين، شيخ. (2018). التوليف والدراسة الحركية لمحفزات CeO2 و SiO2 المدعومة بالنحاس لأكسدة ثاني أكسيد الكربون. 10.13140/RG.2.2.31499.80165.