Heterojen Katalitik Malzemeler
Heterojen katalitik malzemeler, yüzeyleri gaz veya sıvı kimyasal reaksiyonlarını tüketilmeksizin hızlandıran, reaktanların adsorbe olduğu, reaksiyona girdiği ve desorbe olduğu aktif bölgeler sağlayan katılardır.
Tanım
Heterojen bir katalizör, farklı bir fazda meydana gelen bir reaksiyonun hızını, yüzey aktif bölgeleri sağlayarak, adsorpsiyon ve bağ yeniden düzenlenmesi yoluyla aktivasyon bariyerini düşürerek ve kendisi tüketilmeden artırmaktadır.
Kapsam
Bu konu, katı katalizörlerin malzeme kimyasını kapsamaktadır: destekli metal nanoparçacıklar, metal oksitler ve mikrogözenekli zeolitler; aktivite ve seçiciliği belirleyen aktif bölgeler ve yüzey yapısı; katalitik döngünün adsorpsiyon, yüzey reaksiyonu ve desorpsiyon adımları; ve destek, promotorlar ve gözenekliliğin rolleri. Yüzey ve kusur kimyasını endüstriyel katalizörlerin performansı ve dayanıklılığı ile ilişkilendirmektedir.
Temel sorular
- Katı bir katalizörün aktif bölgeleri nelerdir?
- Adsorpsiyon, yüzey reaksiyonu ve desorpsiyon katalitik döngüyü nasıl oluşturur?
- Destek, promotorlar ve gözeneklilik aktivite ve seçiciliği nasıl etkiler?
- Katalizör deaktivasyonuna ne sebep olur?
Anahtar kavramlar
- Aktif bölgeler
- Adsorpsiyon ve desorpsiyon
- Destekli metal katalizörler
- Zeolitler ve şekil seçiciliği
- Promotorlar ve destekler
- Deaktivasyon ve zehirlenme
Temel kuramlar
- Yüzey katalitik döngüsü
- Kataliz, reaktanların yüzey bölgelerine adsorpsiyonu, adsorbe olmuş türlerin reaksiyonu ve ürünlerin desorpsiyonu ile ilerlemektedir; adsorpsiyon gücü orta düzeyde olmalıdır — bağları aktive edecek kadar güçlü ancak ürünleri serbest bırakacak kadar zayıf — bu da bağlanma enerjisi ile aktivite arasında volkan ilişkisini vermektedir.
- Aktif bölgeler, destekler ve seçicilik
- Aktivite, yapısı ve elektronik durumu reaksiyonu belirleyen belirli yüzey bölgelerinde bulunmaktadır; aktif fazın bir destek üzerine dağıtılması bölgeleri maksimize ederken, promotorlar ve zeolitlerin şekil seçici gözenekleri hangi ürünlerin oluşacağını ayarlamaktadır.
Mekanizmalar
Reaktan molekülleri yüzey bölgelerine kemisorbe olur, burada bağlar zayıflar ve yeniden düzenlenir; yüzey ara ürünleri reaksiyona girer ve ürünler, bölgeyi başka bir döngü için serbest bırakmak üzere desorbe olur. Aktivite, adsorpsiyon gücüne ve bölge yapısına bağlıdır ve deaktivasyon zehirlenme, kirlenme, sinterleme veya aktif faz kaybı ile meydana gelmektedir.
Klinik önem
Heterojen katalizörler, kimya ve enerji endüstrilerinin büyük bir kısmının temelini oluşturmaktadır: gübre ve yakıt üretimi, petrol rafinasyonu, otomobil ve endüstriyel emisyonların kontrolü ve daha temiz kimyasal sentez gibi alanlarda kullanılmaktadır; bu nedenle, aktivitelerinin, seçiciliklerinin ve stabilitelerinin iyileştirilmesi geniş ekonomik ve çevresel etkilere sahiptir.
Tarihçe
Heterojen kataliz, amonyak sentezi gibi yirminci yüzyıl başlarındaki endüstriyel süreçlerden gelişmiştir; Sabatier ve Langmuir, yüzey reaktivitesi ve adsorpsiyon için temelleri atmıştır. Ertl'in daha sonra iyi tanımlanmış yüzeylerdeki reaksiyonlar üzerine yaptığı atomik ölçekteki çalışmalar, 2007 Nobel Ödülü ile tanınarak, katı katalizörlerin nasıl çalıştığına dair moleküler anlayışı sağlamıştır.
Öne çıkan isimler
- Gerhard Ertl
- Irving Langmuir
- Paul Sabatier
İlgili konular
Temel eserler
- chorkendorff2017
- thomas1997
Sıkça sorulan sorular
- Bir katalizör için neden orta düzeyde adsorpsiyon gücü en iyisidir?
- Eğer reaktanlar çok zayıf bağlanırsa aktive olmazlar; çok güçlü bağlanırlarsa ürünler ayrılamaz ve bölgeyi bloke ederler. En aktif katalizörler, reaktanları orta düzeyde bir güçle bağlar; bu denge, bağlanma enerjisi ile aktivite arasındaki volkan şeklindeki ilişkiyle ifade edilmektedir.
- Zeolitleri faydalı katalizörler yapan nedir?
- Zeolitler, düzenli moleküler boyutlu gözeneklere ve asidik bölgelere sahip kristal aluminosilikatlardır. Gözenek boyutları, yalnızca belirli boyut ve şekillerdeki molekülleri içeri alır ve serbest bırakır, bu da belirli ürünleri destekleyen şekil seçici kataliz sağlamaktadır; bu özellik petrol rafinasyonu ve kimyasal sentezde değerlidir.