عنوان: کاربردهاي کاتاليستي کامپوزيتهاي درختسان/ نانو ذره

Presentasjon om: "عنوان: کاربردهاي کاتاليستي کامپوزيتهاي درختسان/ نانو ذره"— Utskrift av presentasjonen:

1 عنوان: کاربردهاي کاتاليستي کامپوزيتهاي درختسان/ نانو ذره
نویسندگان : 1- مینا امینی مرضیه حجاری 3- امیر لندرانی اصفهانی

2

3 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
کاتاليستها به دو شاخه همگن و ناهمگن تقسيم می‌شوند. در يک سيستم کاتاليستي همگن: واکنشگرها و سايتهاي فعال کاتاليست در يک فاز هستند. برهمکنش بين اجزا آسانتر و در نتيجه داراي فعاليت بهتري مي‌باشند. انتخابگري و عدد تبديل بالا دارند. با اصلاح مولکولهاي فعال کاتاليستي، شيمي گزيني (Chemoselectivity)، مکان گزيني کاتاليست (Stereoselectivity) تنظيم می‌شوند.

4 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
در يک سيستم کاتاليستي همگن: پس از اتمام واکنش، اغلب خالص‌سازي و جداسازي کاتاليست از محصول نهايي دشوار است و فرآیند کلي را پر زحمت و طاقت فرسا مي‌سازد. در صورتی که جدا کردن کاتاليست از مخلوط واکنش امکان پذير باشد، به احتمال زياد، مقدار بسيار اندکي از کاتاليست در محصول نهايي باقي مي‌ماند. اين موضوع به ويژه در صنايع داروسازي قابل توجه است.

5 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
يکي از راه‌هاي موثر براي غلبه بر مشکل جداسازي... استفاده از کاتاليست ناهمگن است. ناهمگن سازي معمولا به وسيله به دام انداختن يا پيوند زني مولکولهاي فعال بر سطح يا داخل خلل و فرج يک بستر جامد مانند سيليکا، آلومينا به دست مي‌آيد. سايتهاي فعال در کاتاليستهاي ناهمگن به اندازه يک سيستم همگن در دسترس نيست. معمولا فعاليت کاتاليست ناهمگن کم است.

6 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
سيستمی کاتاليستي مورد نیاز است که .. انتخابگر بوده و فعاليت بالایی داشته باشد (مانند يک سيستم همگن). به سهولت جداسازي و بازيابي شود (مانند يک سيستم ناهمگن). نانو ذرات کانديداهاي جذابي براي تحقق اين اهداف هستند. نانو مواد، ويژگيهاي جديدي ارائه مي‌دهند، که قبلا در همتاي ماکروسکوپي آنها مشاهده نشده است. اين ويژگيها باعث ارجحيت وصلاحيت نانوکاتاليستها مي‌باشد. مزاياي نانو کاتاليستها بيشتر از سيستمهاي کاتاليستي مرسوم است.

7 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
محدوديت و موانع براي استفاده از نانو کاتاليستها در فرايندهاي صنعتي: جداسازي و بازيابي نانو کاتاليستها از مخلوط واکنش آسان نيست. به دليل اندازه بسيار کوچک ذرات کاتاليست، تکنيکهاي مرسوم (مثل فيلتراسيون) کارآمد نيستند.

8 کپسوله کردن فلزات و تهيه نانوذرات کاتاليستي
برای حل مشکلات از درختسانها و پلیمرهای پرشاخه به عنوان نوع جديدي از نگهدارنده‌ها استفاده می‌شود. قابل کنترل بودن ويژگي‌هاي درختسانها شامل اندازه، شکل، گروه‌های عاملی، اين امکان را براي دانشمندان فراهم مي‌سازد، تا با دقت موادي را طراحي کنند که براي کاربردهاي ويژه مورد نياز است.

9 نانوکاتاليستهای درختسانی
در سال 1994 (Tomalia) و Dvornic)) کاتاليستهاي درختساني با سطح عامل‌دار را سنتز کردند. درختسانها به دلایل زیر پايدارکننده‌هاي مناسبي هستند: کنترل اندازه تک‏پخش بودن (Monodispersion) ذرات پايداري حلاليت نانوکاتاليستها

10 نانوکاتاليستهای درختسانی
ویژگی‌هایی که درختسانها به عنوان ميزبان به فلزات و کاتاليستها مي‌دهند: درختسانها ساختار همسان و يکنواختي دارند، بنابراين تکرارپذيري اندازه نانوکاتاليست‌ها نيز مناسب خواهد بود. همسان بودن ذرات کاتاليستي اثر مهمي در سرعت کاتاليز مي‌گذارد. نانوکاتاليستها بوسيله ساختار درختسانها پایدار مي‌شوند. درختسانها از انباشتگي (Aggregation) نانوکاتاليستها جلوگيري مي‌کنند. با کم شدن سطح تماس نانوذرات طی فرآیند کلوخه‌ای شدن، از فعاليت آنها کاسته مي‌شود.

11 نانوکاتاليستهای درختسانی
ویژگی‌هایی که درختسانها به عنوان ميزبان به فلزات و کاتاليستها مي‌دهند: نانو کاتاليستها بوسيله عوامل فضايي محبوس شده، يا با گروه‌هاي عاملي انتهايي درختسانها تشکيل کمپلکس مي‌دهند و سطح قابل توجهي از آنها فعال باقي مي‌ماند. گروه‌هاي عاملي در سطح درختسانها، حلاليت قابل کنترل نانو کامپوزيتهاي هيبريدي را ممکن مي‌سازند.

12 نانوکاتاليستهای درختسانی
چندين جايگاه براي کاتاليستهاي درختساني وجود دارد: کاتاليستها مي‌توانند در انتهاي شاخه‌هاي درختساني قرار بگيرند و مکانهاي فعال به طور مستقيم در دسترس واکنشگرها است. غلظت بالاي کاتاليست، باعث مي‌شود تا سرعت واکنش، شبيه سرعت واکنش کاتاليستهاي همگن باشد. با افزايش نسل و حجيم شدن درختسان، در بعضي موارد کارايي کاتاليستها کم مي‌شود. این امر به دليل تراکم زياد در سطح درختسان و برگشت شاخه‌ها به طرف داخل درختسان‌هاست.

13 نانوکاتاليستهای درختسانی
شکل زیرتوپولوژي بهتردرختسان براي حمل کاتاليست‌ها را نشان مي‌دهد: ساختار ستاره‌اي آنها امکان دسترسي به فلز را بيشتر کرده و سرعت کاتاليستي را بالا مي برد. درحالتی دیگر ليگاندهاي فسفين در نقاط شاخه‌اي به همراه کاتاليست مناسب قرار می‌گیرند:

14 نانوکاتاليستهای درختسانی
در حالتی دیگر فلز در مرکز درختسان واقع می‌شود: از مهمترين ويژگي اين كاتاليستها: مهيا كردن محيط مجزا براي کاتاليست به وسيله ساختاردرختسان است. اين ويژگی زماني اهميت خواهد داشت که اثرات کاتاليستي در محيطي متفاوت از محيط واکنش و در درون درختسان اعمال شود.

15 نانوکاتاليستهای درختسانی
نمونه‌ای از حالتی که فلز در مرکزدرختسان واقع می شود: درختسان‌هايي با مرکز پورفيرين حاوی فلزاتي مانند کبالت و منگنز در اين ترکيبات با افزايش نسل درختسان کاهش سينتيکي مشاهده می‌شود. این امر به دليل افزايش تراکم فضايي و محدوديت رسيدن واکنشگرها به فلز مرکزي است.

16 نانوکاتاليستهای درختسانی
حالت دیگر، روشی است که توسط (Crooks) ابداع شد: در این روش تشکيل نانوذرات فلزي فعال کاتاليستي با احيا کاتيونها انجام مي‌شود.

17 نانوکاتاليستهای درختسانی
درحالتی دیگر دندرونهاي حامل کاتاليست، برروي يک بستر پليمري قرار دارند. اين نانو کاتاليستهاي ناهمگن علاوه بر جداسازي آسان از محيط واکنش، داراي پايداري حرارتي مناسبي هستند.

18 نانوکاتاليستهای درختسانی
کاتاليستهاي درختسان داراي مزاياي کاتاليستهاي همگن و ناهمگن مي‌باشند. اين نانوکاتاليستها با قابل دسترس بودن زياد، سرعت سينتيکي بالايي دارند. با ايجاد گروه‌هاي عاملي مناسب، در حلالهاي مختلف حل می‌شوند. قابل دسترس بودن و حلاليت، مزيتهاي کاتاليستهاي همگن در درختسان هستند. بازيافت آسان کاتاليستهاي درختسان که در نتيجه اندازه بزرگ و صلب بودن ساختار آنهاست، بوسيله رسوبگيري در حلال يا صاف کردن با دقت بالا به دست مي‌آيد.

19 نانوکامپوزيت درختسان/ نانوذره
استفاده از درختسان برای كپسوله‏کردن و پايدارسازي نانوذرات معدني، به دليل خواص بي نظير از جمله موارد زیر توجه زيادي را به خود جلب کرده‌اند: کاتاليستي نوري مغناطيسي بيوپزشکي الکتريکي

20 نانوکامپوزيت درختسان/ نانوذره
سه روش براي تشکيل نانوکامپوزيت درختسان/ نانوذره نانو ذرات کپسوله شده در درختسان‏ (Dendrimer-encapsulated Nanoparticles (DENs) ) نانوذرات پايدارشده با درختسان‏ ( (Dendrimer Stabilized Nanoparticles, DSNs درختسانهاي با هسته فلزي (Nanoparticle-core Dendrimers , NCDs)

21 كاربردهاي نانو کامپوزيتهاي درختسان(دندرون)/ نانو ذره
خواص کامپوزيتهاي درختسان/نانو ذره، به وسيله خواص نانو ذرات تعيين مي‌شود. گروه عاملي درختسان يا آرايش درختسان-نانو ذره خواص جديدي را ايجاد می‌کند و بر خواص نانو ذرات موجود تاثيرمی‌گذارد. کاربردهاي اصلي کامپوزيتهاي درختسان/ نانو ذره در زمينه‌هاي زیر است: کاتاليست تحقيقات بيوپزشکي ابزارهاي الکترونيکي

22 كاربردهاي نانو کامپوزيتهاي درختسان(دندرون)/ نانو ذره
کاربردهاي کاتاليستي عمدتاً به وسيله خواص نانو ذرات تک فلزي و دو فلزي گوناگون تعيين مي‌شود. درختسان علاوه بر نقش الگودهي يا پايدارسازي نانو ذرات، باعث کنترل اندازه و ظاهر نانو ذرات نيز مي‌شود. کاربردهاي زيست‏پزشکي به دليل زيست سازگار پذيري کامپوزيتهاي درختسان/ نانو ذره و خواص نوري، مغناطيسي و حسگري امکانپذير مي‌شود.

23 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
چند فاکتور کليدي مشترک، وجود دارد: اندازه نانو ذرات خواص سطح نانوذره: با شرايط تشکيل نانو ذره تعيين مي‌شود. ترکيب مواد نانو ذره گروه‌هاي عاملي پليمر ساختار پليمر این فاکتورهای کليدي مشترک تعيين کننده خواص کاتاليستي سيستم‌هاي پليمر/ نانو ذره (شامل DENs، DSNs و NCDs ) مي‌باشند.

24 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
اين فاکتورها عوامل اصلي در نقش کاتاليزوری، انتخابگري بالا، فعاليت خوب وپايداري مناسب کاتاليست مي‌باشد. پايداري بالاي سيستمهاي کاتاليستي DENs , DSNs , NCDs: به دليل پايدارسازي کارآمد نانوذرات به وسيله درختسان/ دندرونها است انتخابگري (Selectivity): ويژگي مهم کاتاليست‌ها است. این ویژگی، در سيستمهاي مختلف پليمر/ نانوذره از طريق عامل‌دار کردن مناسب سطح نانوذره به وسيله گروه‌هاي عاملي پليمر فراهم مي‏شود.

25 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
براساس ویژگی انتخاب‌گری: سيکلوهگزادي ان به طور انتخابي هيدروژندار و به سيکلوهگزن تبديل مي‌شود. مولکول بزرگتر استرول که شامل يک حلقه سيکلوهگزادي ان است هيدروژندار نمي‏شود. بنابراين تنها مولکول‏هاي با ابعاد کوچک به DENs وارد می شوند.

26 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
سطح نانوذرات کاتاليستي تشکيل شده در DEN به طور کامل با ليگاندها پوشيده نمي‌شود. اين امر مزيتي براي جذب مولکولهاي واکنش دهنده بر روي سطح نانوذره مي‌باشد، که نتيجه آن تسهيل کردن واکنشهاي کاتاليستي است. اما اکثريت درخت سان‌ها کاملاً انعطاف پذيرند و امکان دارد گروه‌هاي عاملي درختسان سطح نانوذرات را پوشانده و آنها را احاطه کند.

27 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
در مورد DSNs و NCDs ها، به دليل ممانعتهاي فضايي، دانسيته درختسان (دندرون) بر روي سطح نانوذره خيلي کمتر از سورفکتانتهاي متداول است. بنابراين سطح عريان‌تري را ايجاد مي‌کند.

28 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
در سيستم‌هاي کاتاليستي کمپلکسهاي فلز/درخت سان با افزايش نسل درختسان، اغلب.. فعاليت کاتاليستي پايداري قابليت استفاده مجدد کاتاليست شديداً بهبود مي‌يابد.

29 کاتاليز همگن با کامپوزيت‌هاي درختسان/ نانو ذره
تهيه نانوذرات دو فلزي در DENs و DSNs مشابه با ديگر سيستمها است. نانوذرات PdAu ، با هسته طلا و پوسته پالاديم ، که در درختسان نسل ششم PAMAM پايدار شده‌اند، در هيدروژن‏دار کردن آليل الکلها استفاده شده‏اند. اين ترکيبات نسبت به نانوذرات Pd تک فلزي فعاليت کاتاليستي بيشتري دارند. احتمالا هسته طلا با اثرات الکترونيکي فعاليت کاتاليستي را بهبود مي‌بخشد.

30 کاتاليستهاي همگن قابل جداسازي مغناطيسي
کمتر از 20 درصد از کاتاليستهاي همگن گزینش پذیر و فعال در صنعت استفاده مي‌شوند.. اين موضوع به مشکلاتي از جمله ... صرف زمان و انرژي براي خالص سازي محصول جداسازي کاتاليستهاي همگن (در انتهای واکنش) از محلول واکنش نسبت داده مي‌شود. از نانوذرات مغناطيسي به عنوان نوع جديدي از نگهدارنده‌هاي قابل بازيابي استفاده می‌شود.

31 کاتاليستهاي همگن قابل جداسازي مغناطيسي
ويژگيهاي خاص نانوذرات مغناطيسي : دارا بودن سطح خارجي بالا قابليت بازيابي آسان از طريق اعمال ميدان مغناطيسي خارجي پراکنده شدن آسان در حلالهاي مختلف به دلیل این ویژگی‌ها در سالهاي اخير، ترکيب گونه‌هاي کاتاليستي و نانوذرات مغناطيسي بسيار مورد توجه قرار دارد.

32 کاتاليستهاي همگن قابل جداسازي مغناطيسي
دندرونهاي PAMAM بر نانوذرات پوسته-هسته ، Fe3O4/SiO2، تشکیل می شود. بعد از تشکيل دندرون، محيط خارجي آن با دي‏فنيل‏فسفين و متانول اصلاح می‌شود. سپس گروه‌هاي فسفين با [Rh(COD)Cl]4 کمپلکس مي‌شوند.

33 کاتاليستهاي همگن قابل جداسازي مغناطيسي
کاتاليستهاي همگن قابل جداسازی مغناطیسی، در هيدروفرميل دار کردن (CHO) ترکيبات مختلف تست شده‌اند. انتخاب‌گري و فعاليت بالا همراه با قابليت بازيابي آسان کاتاليست اثبات شده است.

34 کاتاليز ناهمگن با کامپوزيتهاي درخت سان/ نانوذره
ناهمگن سازي کاتاليستهاي همگن يک راه مرسوم براي جداسازي آسان کاتاليست است. ناهمگن‌سازي معمولاً با به دام انداختن يا پيوند مولکول‏هاي فعال در سطح يا داخل خلل و فرج يک بستر جامد مانند سيليکا، آلومينا و... به دست مي‌آيد. ناهمگن‌سازي درختسان دندرونهاي حاوي نانوذرات بر روي بسترهاي متفاوت، ترکيبي از مزاياي هردو سيستم همگن و ناهمگن را فراهم مي‌سازد. ناهمگن سازي بر بسترهاي پليمري و معدنی انجام می‌پذیرد.

35 کاتاليز ناهمگن با کامپوزيتهاي درخت سان/ نانوذره
در پيلهاي سوختي، که يک بستر رسانا نياز است، مواد کربني اين نقش را ايفا می‌کنند. درختسان‏هاي PAMAM تثبيت شده بر الکترودهاي ساخته شده از نانو فيبرهاي کربن که شامل نانوذرات پلاتين هستند، فعاليت الکتروکاتاليستي خوبي را در احياي اکسيژن نشان مي‌دهند. چنين کاتاليستهايي در پيلهاي سوختي استفاده می‌شوند، چون: در مقايسه با سيستمهاي کاتاليستي مرسوم به کمک درختسانها با بارگيري کمتري از Pt ، فعاليت کاتاليستي بالاتري دارا هستند.

36 کاتاليز ناهمگن با کامپوزيتهاي درخت سان/ نانوذره
يک راه جالب براي ناهمگن‌سازي DSNs , DENs يا NCDs : الحاق آنها در منافذ سيليکاي مزومتخلخل (SBA-15 or MCF-17) مي‌باشد. اين الحاق با برهمکنشهاي غيرکوالانسي انجام می‌شود.

37 کاتاليز ناهمگن با کامپوزيتهاي درخت سان/ نانوذره
يک راه جالب براي ناهمگن سازي DSNs , DENs يا NCDs : ممکن است در ابتدا، درختسان از طريق پيوند کوالانسي به ديواره‌‌هاي منفذ متصل شده و به دنبال آن نانوذره درون درختسان شکل گيرد.

38 حذف قالب درختسان بعد از قرارگيري روي سطح
براي تهيه کاتاليستهاي ناهمگن، ازدرختسان به عنوان قالبهاي قرباني شونده (Sacrificial Template) براي پايدارسازي نانوذرات استفاده مي‌شود. در واقع بعد از قرارگيريDENs ها بر روي بستر در طي يک واکنش گرمايي، درختسان حذف مي‌شود و نانوذرات بر روي بستر باقي مي‌مانند.

39 حذف قالب درختسان بعد از قرارگيري روي سطح
براي حذف کامل درختسان و محصولات ناشي از تجزيه آنها ، واکنش گرمايي در اتمسفر H2و O2، H2/He/O2،CO و O2، O2/He ،H2/He ، و يا فقط در O2 انجام می‌شود. با توجه به لزوم حذف کامل قالب، براي جلوگيري از تجمع نانوذرات و تشکيل سطح فعال کاتاليستي نانوذره ، نوع اتمسفر و ميزان حرارت تعيين مي‌شود.

40 بحث و نتیجه گیری درختسان‌ها شاخه‌اي بي نظير از شيمي هستند که توانايي زيادي براي حل مسائل پيچيده دانشمندان به خصوص براي بازآفريني طبيعت دارند. درختسانها محصولاتي مصنوعي در مقياس نانومتري هستند که خصوصيت بارز آنها، دقت در طراحی ساختاری آنهاست. اين مولکولها یکی از دقيق ترين ابزارها و وسايلي هستند که تا به حال توسط بشر ساخته شده است. درختسان‌ها با داشتن گروه‌هاي عاملي انتهايي، محيط خوبي براي ساخت نانوذرات فلزي مي‌باشند.

41 بحث و نتیجه گیری در دهه گذشته استفاده از درختسانها به منظور كپسوله کردن وپايدارسازي نانوذرات معدني (نانوكامپوزيتهاي درختسان/نانوذرات معدني)، به دليل خواص بي‌نظير کاتاليستي، نوري، مغناطيسي، بيوپزشکي، الکتريکي و... توجه زيادي را به خود جلب کرده‌اند. کاربرد اين مواد به عنوان پايه‌هاي کاتاليست و نيز کاتاليستهاي ناهمگن و استفاده بالقوه در داروسازي، اهميت نياز به تحقيق در این باره را دوچندان مي‌کند.

42

43