Nanomaterial-based catalyst
નેનો સામગ્રી આધારિત ઉત્પ્રેરક સામાન્ય રીતે ઉત્પ્રેરક પ્રક્રિયાને વધારવા માટે ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સમાં વિભાજિત વિજાતીય ઉત્પ્રેરક હોય છે. ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સનો સપાટી વિસ્તાર ઊંચો હોય છે, જે ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિમાં વધારો કરી શકે છે. નેનોપાર્ટિકલ ઉત્પ્રેરકોને સરળતાથી અલગ કરી શકાય છે અને રિસાયકલ કરી શકાય છે. તેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે નેનોપાર્ટિકલ્સના વિઘટનને રોકવા માટે હળવી પરિસ્થિતિઓમાં થાય છે. કાર્યાત્મક નેનોપાર્ટિકલ્સ કાર્યાત્મક ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સ બિન-કાર્યાત્મક ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સની તુલનામાં દ્રાવકો તરફ વધુ સ્થિર હોય છે. પ્રવાહીમાં, ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સ વેન ડેર વાલ્સ બળથી પ્રભાવિત થઈ શકે છે. કણોનું એકત્રીકરણ કેટલીકવાર સપાટીના વિસ્તારને ઘટાડીને ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિમાં ઘટાડો કરી શકે છે. નેનોપાર્ટિકલ્સ એકબીજા સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા અટકાવે છે તે રક્ષણાત્મક સ્તર પ્રદાન કરીને નેનોપાર્ટિકલ્સ સ્થિર કરવા માટે નેનોપાર્ટિકલ્સ પોલિમર અથવા ઓલિગોમર્સ સાથે પણ કાર્યરત થઈ શકે છે. બે ધાતુઓના મિશ્રધાતુઓ, જેને બાયમેટેલિક નેનોપાર્ટિકલ્સ કહેવાય છે, તેનો ઉપયોગ બે ધાતુઓ વચ્ચેના ઉત્પ્રેરક પર સહક્રિયાત્મક અસરો બનાવવા માટે થાય છે. પોલિક્લોરિનેટેડ બાયફિનાઇલ જેવા સી-સીએલ બોન્ડ્સના હાઇડ્રોજનોલિસિસ માટે સંભવિત ઉપયોગો ડીહલોજિનેશન અને હાઇડ્રોજનકરણ નેનોપાર્ટિકલ ઉત્પ્રેરક સક્રિય છે. અન્ય પ્રતિક્રિયા એ છે કે હર્બિસાઈડ્સ અને જંતુનાશકો તેમજ ડીઝલ ઇંધણના સંશ્લેષણ માટે હેલોજેનેટેડ એરોમેટિક એમાઇનનું હાઇડ્રોજનકરણ પણ મહત્વપૂર્ણ છે. કાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્રમાં, ડ્યુટેરિયમ સાથે C-Cl બંધના હાઇડ્રોજનીકરણનો ઉપયોગ ગતિશીલ આઇસોટોપ અસર સાથે સંકળાયેલા પ્રયોગોમાં સુગંધિત વીંટીને પસંદગીયુક્ત રીતે લેબલ કરવા માટે થાય છે. વેલ એટ અલ. રોડિયમ સંકુલ બનાવ્યાં જે રોડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ ઉત્પન્ન કરે છે. આ નેનોપાર્ટિકલ્સે સુગંધિત સંયોજનોના ડીહાલોજેનેશન તેમજ બેન્ઝીનનું સાયક્લોહેક્ઝેનમાં હાઇડ્રોજનકરણને ઉત્પ્રેરિત કર્યું. પોલિમર-સ્થિર નેનોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ સિનામાલ્ડેહાઇડ અને સિટ્રોનેલલના હાઇડ્રોજનીકરણ માટે પણ થઈ શકે છે. યુ એટ અલ. એવું જાણવા મળ્યું છે કે રુથેનિયમ નેનોકેટાલિસ્ટ્સ ઉપયોગમાં લેવાતા પરંપરાગત ઉત્પ્રેરકોની તુલનામાં સિટ્રોનેલલના હાઇડ્રોજનીકરણમાં વધુ પસંદગીયુક્ત છે. સિલેન સાથે સોના, કોબાલ્ટ, નિકલ, પેલેડિયમ અથવા પ્લેટિનમ ઓર્ગેનોમેટાલિક સંકુલમાં ઘટાડો ધાતુના નેનોપાર્ટિકલનું ઉત્પાદન કરે છે જે હાઇડ્રોસિલિલેશન પ્રતિક્રિયાને ઉત્પ્રેરિત કરે છે. બી. આઈ. એન. એ. પી.-કાર્યાત્મક પેલેડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ અને સોનાના નેનોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ હળવી પરિસ્થિતિઓમાં સ્ટાયરીનના હાઇડ્રોસિલિલેશન માટે કરવામાં આવ્યો છે; તેઓ બિન-નેનોપાર્ટિકલ પી. ડી.-બી. આઈ. એન. એ. પી. કોમ્પ્લેક્સ કરતાં વધુ ઉત્પ્રેરક રીતે સક્રિય અને વધુ સ્થિર હોવાનું જણાયું હતું. પ્રતિક્રિયાને બે ધાતુઓ ધરાવતા નેનોપાર્ટિકલ દ્વારા પણ ઉત્પ્રેરિત કરી શકાય છે. કાર્બનિક રેડૉક્સ પ્રતિક્રિયાઓ એડીપિક એસિડ રચવા માટે ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયા આકૃતિ 3 માં દર્શાવવામાં આવી છે અને તેને કોબાલ્ટ નેનોપાર્ટિકલ્સ દ્વારા ઉત્પ્રેરિત કરી શકાય છે. આનો ઉપયોગ ઔદ્યોગિક સ્તરે નાયલોન 6,6 પોલિમરનું ઉત્પાદન કરવા માટે થાય છે. ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સ દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થતી ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયાઓના અન્ય ઉદાહરણોમાં સાયક્લોઓક્ટેનનું ઓક્સિડેશન, ઇથેનનું ઓક્સિડેશન અને ગ્લુકોઝ ઓક્સિડેશનનો સમાવેશ થાય છે. સી-સી જોડાણ પ્રતિક્રિયાઓ ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સ સી-સી જોડાણ પ્રતિક્રિયાઓને ઉત્પ્રેરિત કરી શકે છે જેમ કે ઓલેફિનનું હાઇડ્રોફોર્મિલેશન, વિટામિન ઇ અને હેક જોડાણનું સંશ્લેષણ અને સુઝુકી જોડાણ પ્રતિક્રિયાઓ. પેલેડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ હેક કપલિંગ પ્રતિક્રિયાઓને અસરકારક રીતે ઉત્પ્રેરિત કરતા જોવા મળ્યા હતા. એવું જાણવા મળ્યું હતું કે પેલેડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ પર લિગાન્ડ્સની વધેલી ઇલેક્ટ્રોનગેટિવિટીએ તેમની ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિમાં વધારો કર્યો હતો. સંયોજન Pd2 (dba) 3 એ Pd (0) નો સ્રોત છે, જે ક્રોસ કપલિંગ પ્રતિક્રિયાઓ સહિત ઘણી પ્રતિક્રિયાઓ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પેલેડિયમનો ઉત્પ્રેરક સક્રિય સ્રોત છે. પી. ડી. 2 (ડી. બી. એ.) 3 ને એકરૂપ ઉત્પ્રેરક પુરોગામી માનવામાં આવતું હતું, પરંતુ તાજેતરના લેખો સૂચવે છે કે પેલેડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ રચાય છે, જે તેને વિજાતીય ઉત્પ્રેરક પુરોગામી બનાવે છે. વૈકલ્પિક ઇંધણ આયર્ન ઓક્સાઇડ અને કોબાલ્ટ નેનોપાર્ટિકલ્સ ફિશર-ટ્રોપ્સ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને કાર્બન મોનોક્સાઇડ અને હાઇડ્રોજન જેવા વાયુઓને પ્રવાહી હાઇડ્રોકાર્બન ઇંધણમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે એલ્યુમિના જેવી વિવિધ સપાટીની સક્રિય સામગ્રી પર લોડ કરી શકાય છે. નેનો સામગ્રી આધારિત ઉત્પ્રેરક પરનું ઘણું સંશોધન બળતણ કોષોમાં ઉત્પ્રેરક કોટિંગની અસરકારકતાને મહત્તમ કરવા સાથે સંબંધિત છે. પ્લેટિનમ હાલમાં આ એપ્લિકેશન માટે સૌથી સામાન્ય ઉત્પ્રેરક છે, જો કે, તે ખર્ચાળ અને દુર્લભ છે, તેથી અન્ય ધાતુઓના ઉત્પ્રેરક ગુણધર્મોને નેનોપાર્ટિકલ્સમાં સંકોચાઈને આ આશામાં ઘણું સંશોધન કરવામાં આવી રહ્યું છે કે કોઈક દિવસ તેઓ પ્લેટિનમનો કાર્યક્ષમ અને આર્થિક વિકલ્પ બનશે. સોનાના નેનોપાર્ટિકલ્સ પણ ઉત્પ્રેરક ગુણધર્મો દર્શાવે છે, એ હકીકત હોવા છતાં કે જથ્થાબંધ સોનું પ્રતિક્રિયાશીલ નથી. યટ્રિયમ સ્થિર ઝિર્કોનિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સ ઘન ઓક્સાઇડ ઇંધણ કોષની કાર્યક્ષમતા અને વિશ્વસનીયતામાં વધારો કરે છે. નેનોમટેરિયલ રુથેનિયમ/પ્લેટિનમ ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ હાઇડ્રોજનના સંગ્રહ માટે હાઇડ્રોજનના શુદ્ધિકરણને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે થઈ શકે છે. પર્યાવરણમાં વાયુ પ્રદૂષણને નિયંત્રિત કરવા માટે CO અને NO ના ઓક્સિડેશનને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે પેલેડિયમ નેનોપાર્ટિકલ્સને ઓર્ગેનોમેટાલિક લિગાન્ડ્સ સાથે કાર્યરત કરી શકાય છે. કાર્બન નેનોટ્યુબને ટેકો આપતા ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ બળતણ કોષો માટે કેથોડ ઉત્પ્રેરક આધાર તરીકે થઈ શકે છે અને ધાતુના નેનોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ કાર્બન નેનોટ્યુબ્સની વૃદ્ધિને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ સાથે જોડાયેલા પ્લેટિનમ-કોબાલ્ટ બાયમેટાલિક નેનોપાર્ટિકલ્સ સીધા મિથેનોલ ઇંધણ કોષો માટે આશાસ્પદ ઉમેદવાર છે કારણ કે તેઓ ઉચ્ચ સ્થિર વર્તમાન ઇલેક્ટ્રોડ ઉત્પન્ન કરે છે. ચુંબકીય રસાયણશાસ્ત્રમાં, નેનોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ ઔષધીય ઉપયોગ માટે ઉત્પ્રેરક આધાર માટે થઈ શકે છે. નેનોઝાઇમ્સ પરંપરાગત ઉત્પ્રેરક ઉપરાંત, કુદરતી ઉત્સેચકોની નકલ કરવા માટે નેનો સામગ્રીઓનું સંશોધન કરવામાં આવ્યું છે. એન્ઝાઇમની નકલ કરતી પ્રવૃત્તિઓ ધરાવતી નેનો સામગ્રીઓને નેનોઝાઇમ્સ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઓક્સિડેઝ, પેરોક્સિડેઝ, કેટાલેઝ, એસ. ઓ. ડી., ન્યુક્લીઝ વગેરે જેવા કુદરતી ઉત્સેચકોની જાતોની નકલ કરવા માટે ઘણી નેનો સામગ્રીઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. નેનોઝાઇમ્સને બાયોસેન્સિંગ અને બાયોઇમેજિંગથી લઈને ઉપચાર અને જળ ઉપચાર સુધીના ઘણા ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક ઉપયોગો મળ્યા છે. ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસિસ માટે નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ નેનોકેટાલિસ્ટ્સ ઇંધણ કોષો અને ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર્સમાં વ્યાપક રસ ધરાવે છે, જ્યાં ઉત્પ્રેરક કાર્યક્ષમતાને મજબૂત રીતે અસર કરે છે. નેનોપોરસ સપાટીઓ બળતણ કોષોમાં, કેથોડ બનાવવા માટે નેનોપોરસ સામગ્રીનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. પ્લેટિનમના છિદ્રાળુ નેનોપાર્ટિકલ્સ નેનોકેટાલિસિસમાં સારી પ્રવૃત્તિ ધરાવે છે પરંતુ ઓછા સ્થિર હોય છે અને તેમનું જીવનકાળ ટૂંકું હોય છે. નેનોપાર્ટિકલ્સ નેનોપાર્ટિકલ્સના ઉપયોગમાં એક ખામી એ છે કે તેમનું એકત્રીકરણ કરવાની વૃત્તિ છે. યોગ્ય ઉત્પ્રેરક આધાર સાથે સમસ્યાને હળવી કરી શકાય છે. નેનોપાર્ટિકલ્સ એ નેનોસેન્સર તરીકે ઉપયોગમાં લેવા માટે શ્રેષ્ઠ રચનાઓ છે કારણ કે તેમને ચોક્કસ અણુઓ શોધવા માટે ટ્યુન કરી શકાય છે. બહુ-દિવાલવાળા કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ પર ઇલેક્ટ્રોડિપોઝીટ થયેલા પીડી નેનોપાર્ટિકલ્સના ઉદાહરણોએ ક્રોસ-કપલિંગ પ્રતિક્રિયાઓના ઉત્પ્રેરણ તરફ સારી પ્રવૃત્તિ દર્શાવી છે. નેનોવાયર ઇલેક્ટ્રોકેટાલિટિક હેતુ માટે ખૂબ જ રસપ્રદ છે કારણ કે તેનું ઉત્પાદન કરવું સરળ છે અને ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં તેમની લાક્ષણિકતાઓ પરનું નિયંત્રણ એકદમ ચોક્કસ છે. ઉપરાંત, નેનોવાયર તેમની અવકાશી હદને કારણે અને આમ સક્રિય સપાટી પર પ્રતિક્રિયાકારકોની વધુ ઉપલબ્ધતાને કારણે ફેરાડેઇક કાર્યક્ષમતામાં વધારો કરી શકે છે. સામગ્રી ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસિસ પ્રક્રિયાઓમાં સામેલ નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ વિવિધ સામગ્રીથી બનેલી હોઈ શકે છે. નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ સામગ્રીના ઉપયોગ દ્વારા, વિદ્યુત ઉત્પ્રેરક સારી ભૌતિક-રાસાયણિક સ્થિરતા, ઉચ્ચ પ્રવૃત્તિ, સારી વાહકતા અને ઓછી કિંમત પ્રાપ્ત કરી શકે છે. ધાતુની નેનો સામગ્રી સામાન્ય રીતે સંક્રમણ ધાતુઓ (મોટે ભાગે આયર્ન, કોબાલ્ટ, નિકલ, પેલેડિયમ, પ્લેટિનમ) થી બનેલી હોય છે. મલ્ટી-મેટલ નેનોમેટેરિયલ દરેક ધાતુની લાક્ષણિકતાઓને કારણે નવા ગુણધર્મો દર્શાવે છે. ફાયદાઓમાં પ્રવૃત્તિમાં વધારો, પસંદગી અને સ્થિરતા અને ખર્ચમાં ઘટાડો સામેલ છે. ધાતુઓને વિવિધ રીતે જોડી શકાય છે જેમ કે કોર-શેલ બાયમેટેલિક માળખામાંઃ સૌથી સસ્તી ધાતુ કોર બનાવે છે અને સૌથી સક્રિય ધાતુ (સામાન્ય રીતે ઉમદા ધાતુ) શેલ બનાવે છે. આ ડિઝાઇનને અપનાવીને દુર્લભ અને મોંઘી ધાતુઓનો ઉપયોગ ઘટાડીને 20 ટકા કરી શકાય છે. ભવિષ્યના પડકારોમાંથી એક સારી પ્રવૃત્તિ અને ખાસ કરીને ઓછી કિંમત સાથે નવી સ્થિર સામગ્રી શોધવાનો છે. ધાતુના કાચ, પોલિમરીક કાર્બન નાઇટ્રાઇડ (પી. સી. એન.) અને ધાતુ-કાર્બનિક માળખા (એમ. ઓ. એફ.) માંથી મેળવેલી સામગ્રી એ વિદ્યુત ઉત્પ્રેરક ગુણધર્મો ધરાવતી સામગ્રીના માત્ર થોડા ઉદાહરણો છે જેના પર હાલમાં સંશોધન રોકાણ કરી રહ્યું છે. ઘણા પ્રકાશ ઉત્પ્રેરક પ્રણાલીઓ ઉમદા ધાતુ સાથે જોડાણથી લાભ મેળવી શકે છે; પ્રથમ ફુજીશિમા-હોન્ડા કોષમાં સહ-ઉત્પ્રેરક પ્લેટનો પણ ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. દાખલા તરીકે, પાણીના વિભાજન માટે વિખેરાયેલા ફોટોકેટેલિટિક રિએક્ટરની આવશ્યક રચના એ પાણીના સોલની છે જેમાં વિખેરાયેલા તબક્કા સેમિકન્ડક્ટર ક્વોન્ટમ બિંદુઓથી બનેલા હોય છે જે દરેક ધાતુના સહ-ઉત્પ્રેરક સાથે જોડાયેલા હોય છેઃ ક્યુડી આવતા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનને ઉત્તેજનામાં રૂપાંતરિત કરે છે જ્યારે સહ-ઉત્પ્રેરક ઇલેક્ટ્રોન સફાઈ કરનાર તરીકે કાર્ય કરે છે અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાની વધુ પડતી ક્ષમતાને ઘટાડે છે. નેનોપાર્ટિકલ્સની લાક્ષણિકતા કેટલીક તકનીકો કે જેનો ઉપયોગ કાર્યાત્મક નેનોમટેરિયલ ઉત્પ્રેરકની લાક્ષણિકતા માટે થઈ શકે છે તેમાં એક્સ-રે ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી, સર્ક્યુલર ડિક્રોઇઝમ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી, યુવી-વિઝિબલ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને સંબંધિત પ્રયોગોનો સમાવેશ થાય છે. નેનોમટેરિયલ્સ નેનોટેકનોલોજી ટ્રાન્ઝિશન મેટલ ક્વોન્ટમ ડોટ પ્લેટિનમ નેનોપાર્ટિકલ્સ ઇકોસાહેડ્રલ જોડિયા નેનોઝાઇમ્સ સંદર્ભો વધુ વાંચન કેટાલિસિસ નેનોમટેરિયલ્સ જુઓ.