วัสดุคะตะไลติกแบบวิวิธพันธ์

วัสดุคะตะไลติกแบบวิวิธพันธ์เป็นของแข็งที่มีพื้นผิวเร่งปฏิกิริยาเคมีของก๊าซหรือของเหลวโดยไม่ถูกใช้ไป ซึ่งเป็นแหล่งของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา (active sites) ที่สารตั้งต้นจะดูดซับ ทำปฏิกิริยา และคายซับออกไป

Definition

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์คือของแข็งที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวัฏภาคที่ต่างกัน โดยการจัดหาตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิว ลดอุปสรรคการกระตุ้นผ่านการดูดซับและการจัดเรียงพันธะใหม่ ในขณะที่ตัวมันเองยังคงไม่ถูกใช้ไป

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีวัสดุของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง ได้แก่ อนุภาคนาโนโลหะบนตัวรองรับ (supported metal nanoparticles) โลหะออกไซด์ และซีโอไลต์แบบมีรูพรุนขนาดเล็ก (microporous zeolites) รวมถึงตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาและโครงสร้างพื้นผิวที่กำหนดกิจกรรมและความเลือกสรร; ขั้นตอนการดูดซับ ปฏิกิริยาบนพื้นผิว และการคายซับในวัฏจักรคะตะไลติก; และบทบาทของตัวรองรับ ตัวส่งเสริม และความเป็นรูพรุน หัวข้อนี้เชื่อมโยงเคมีพื้นผิวและเคมีของข้อบกพร่องเข้ากับประสิทธิภาพและความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม

Core questions

• ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งคืออะไร?
• การดูดซับ ปฏิกิริยาบนพื้นผิว และการคายซับประกอบกันเป็นวัฏจักรคะตะไลติกได้อย่างไร?
• ตัวรองรับ ตัวส่งเสริม และความเป็นรูพรุนส่งผลต่อกิจกรรมและความเลือกสรรอย่างไร?
• อะไรคือสาเหตุของการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา?

Key concepts

• ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา
• การดูดซับและการคายซับ
• ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบนตัวรองรับ
• ซีโอไลต์และความเลือกสรรตามรูปร่าง
• ตัวส่งเสริมและตัวรองรับ
• การเสื่อมสภาพและการถูกพิษ

Key theories

วัฏจักรคะตะไลติกบนพื้นผิว

คะตะไลซิสเกิดขึ้นจากการดูดซับสารตั้งต้นบนตำแหน่งบนพื้นผิว การทำปฏิกิริยาของสารที่ถูกดูดซับ และการคายซับผลิตภัณฑ์; ความแข็งแรงของการดูดซับควรอยู่ในระดับปานกลาง — แข็งแรงพอที่จะกระตุ้นพันธะ แต่ก็อ่อนพอที่จะปล่อยผลิตภัณฑ์ — ซึ่งทำให้เกิดความสัมพันธ์แบบภูเขาไฟ (volcano relationship) ระหว่างพลังงานพันธะและกิจกรรม

ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา ตัวรองรับ และความเลือกสรร

กิจกรรมอยู่ที่ตำแหน่งเฉพาะบนพื้นผิวซึ่งโครงสร้างและสถานะอิเล็กทรอนิกส์กำหนดปฏิกิริยา; การกระจายวัฏภาคที่ออกฤทธิ์บนตัวรองรับจะเพิ่มจำนวนตำแหน่งให้มากที่สุด ในขณะที่ตัวส่งเสริมและรูพรุนที่เลือกรูปร่างของซีโอไลต์จะปรับแต่งว่าผลิตภัณฑ์ใดจะเกิดขึ้น

Mechanisms

โมเลกุลของสารตั้งต้นจะเกิดการดูดซับทางเคมี (chemisorb) บนตำแหน่งบนพื้นผิว ซึ่งพันธะจะอ่อนลงและจัดเรียงตัวใหม่; สารมัธยันต์บนพื้นผิวจะทำปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์จะคายซับออกไปเพื่อปลดปล่อยตำแหน่งให้พร้อมสำหรับวัฏจักรต่อไป กิจกรรมขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของการดูดซับและโครงสร้างของตำแหน่ง และการเสื่อมสภาพเกิดขึ้นจากการถูกพิษ (poisoning) การอุดตัน (fouling) การเผาผนึก (sintering) หรือการสูญเสียวัฏภาคที่ออกฤทธิ์

Clinical relevance

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์เป็นรากฐานสำคัญของอุตสาหกรรมเคมีและพลังงานส่วนใหญ่: พวกมันใช้ในการผลิตปุ๋ยและเชื้อเพลิง การกลั่นปิโตรเลียม การควบคุมมลพิษจากรถยนต์และอุตสาหกรรม และช่วยให้การสังเคราะห์ทางเคมีสะอาดขึ้น ดังนั้น การปรับปรุงกิจกรรม ความเลือกสรร และความเสถียรของพวกมันจึงมีผลกระทบทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมในวงกว้าง

History

คะตะไลซิสแบบวิวิธพันธ์เติบโตมาจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เช่น การสังเคราะห์แอมโมเนีย โดย Sabatier และ Langmuir ได้วางรากฐานสำหรับปฏิกิริยาบนพื้นผิวและการดูดซับ การศึกษาในระดับอะตอมของ Ertl ในภายหลังเกี่ยวกับปฏิกิริยาบนพื้นผิวที่กำหนดไว้อย่างดี ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลในปี 2007 ได้สร้างความเข้าใจในระดับโมเลกุลว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งทำงานอย่างไร

Key figures

• Gerhard Ertl
• Irving Langmuir
• Paul Sabatier

Seminal works

• chorkendorff2017
• thomas1997

Frequently asked questions

ทำไมความแข็งแรงของการดูดซับระดับปานกลางจึงดีที่สุดสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา?

หากสารตั้งต้นจับตัวอ่อนเกินไป พวกมันจะไม่ถูกกระตุ้น; หากพวกมันจับตัวแน่นเกินไป ผลิตภัณฑ์จะไม่สามารถหลุดออกไปได้และจะปิดกั้นตำแหน่ง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกฤทธิ์มากที่สุดจะจับสารตั้งต้นด้วยความแข็งแรงระดับปานกลาง ซึ่งเป็นความสมดุลที่แสดงโดยความสัมพันธ์แบบภูเขาไฟระหว่างพลังงานพันธะและกิจกรรม

อะไรทำให้ซีโอไลต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประโยชน์?

ซีโอไลต์เป็นอะลูมิโนซิลิเกตผลึกที่มีรูพรุนขนาดโมเลกุลที่สม่ำเสมอและมีตำแหน่งที่เป็นกรด ขนาดรูพรุนของพวกมันจะยอมให้เฉพาะโมเลกุลที่มีขนาดและรูปร่างบางอย่างเท่านั้นที่จะเข้าและออกได้ ทำให้เกิดคะตะไลซิสแบบเลือกรูปร่าง (shape-selective catalysis) ที่ส่งเสริมผลิตภัณฑ์เฉพาะ ซึ่งมีคุณค่าในการกลั่นปิโตรเลียมและการสังเคราะห์ทางเคมี