Nanomaterial-based catalyst
नैनोमटेरियल-आधारित उत्प्रेरक आमतौर पर उत्प्रेरक प्रक्रिया को बढ़ाने के लिए धातु के नैनोकणों में विभाजित विषम उत्प्रेरक होते हैं। धातु के नैनोकणों का सतह क्षेत्र अधिक होता है, जो उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ा सकते हैं। नैनोपार्टिकल उत्प्रेरक को आसानी से अलग किया जा सकता है और पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है। इनका उपयोग आमतौर पर नैनोकणों के अपघटन को रोकने के लिए हल्की परिस्थितियों में किया जाता है। कार्यात्मक नैनोकण कार्यात्मक धातु नैनोकण गैर-कार्यात्मक धातु नैनोकणों की तुलना में विलायकों के प्रति अधिक स्थिर होते हैं। तरल पदार्थों में, धातु के नैनोकण वैन डेर वाल्स बल से प्रभावित हो सकते हैं। कण एकत्रीकरण कभी-कभी सतह के क्षेत्र को कम करके उत्प्रेरक गतिविधि को कम कर सकता है। नैनोकणों को एक सुरक्षात्मक परत प्रदान करके नैनोकणों को स्थिर रूप से स्थिर करने के लिए पॉलिमर या ऑलिगोमर्स के साथ भी कार्यात्मक बनाया जा सकता है जो नैनोकणों को एक दूसरे के साथ बातचीत करने से रोकता है। दो धातुओं के मिश्र धातुओं, जिन्हें द्विधात्विक नैनोकण कहा जाता है, का उपयोग दो धातुओं के बीच उत्प्रेरण पर सहक्रियात्मक प्रभाव पैदा करने के लिए किया जाता है। संभावित अनुप्रयोग डीहैलोजेनेशन और हाइड्रोजनीकरण नैनोपार्टिकल उत्प्रेरक सी-सीएल बॉन्ड जैसे पॉलीक्लोरिनेटेड बाइफिनाइल के हाइड्रोजनोलिसिस के लिए सक्रिय हैं। एक अन्य प्रतिक्रिया हेलोजेनेटेड सुगंधित एमाइन का हाइड्रोजनीकरण है जो जड़ी-बूटियों और कीटनाशकों के साथ-साथ डीजल ईंधन के संश्लेषण के लिए भी महत्वपूर्ण है। कार्बनिक रसायन विज्ञान में, ड्यूटेरियम के साथ सी-सीएल बंधन के हाइड्रोजनीकरण का उपयोग गतिज समस्थानिक प्रभाव से निपटने वाले प्रयोगों में उपयोग के लिए सुगंधित वलय को चुनिंदा रूप से लेबल करने के लिए किया जाता है। बुइल एट अल। रोडियम परिसरों का निर्माण किया जो रोडियम नैनोकणों को उत्पन्न करते थे। इन नैनोकणों ने सुगंधित यौगिकों के डीहैलोजेनेशन के साथ-साथ बेंजीन के हाइड्रोजनीकरण को साइक्लोहेक्सेन में उत्प्रेरित किया। पॉलिमर-स्थिर नैनोकणों का उपयोग दालचीनी और सिट्रोनेल के हाइड्रोजनीकरण के लिए भी किया जा सकता है। यू एट अल। यह पाया गया कि रुथेनियम नैनो उत्प्रेरक उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक उत्प्रेरक की तुलना में सिट्रोनेल के हाइड्रोजनीकरण में अधिक चयनात्मक होते हैं। सिलेन के साथ सोना, कोबाल्ट, निकल, पैलेडियम, या प्लैटिनम ऑर्गेनोमेटेलिक परिसरों की कमी धातु के नैनोकणों का उत्पादन करती है जो जल-सिलीकरण प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है। बी. आई. एन. ए. पी.-कार्यात्मक पैलेडियम नैनोपार्टिकल्स और सोने के नैनोपार्टिकल्स का उपयोग हल्की परिस्थितियों में स्टाइरीन के हाइड्रोसिलिलेशन के लिए किया गया है; वे गैर-नैनोपार्टिकल पी. डी.-बी. आई. एन. ए. पी. कॉम्प्लेक्स की तुलना में अधिक उत्प्रेरक रूप से सक्रिय और अधिक स्थिर पाए गए। प्रतिक्रिया को एक नैनोकण द्वारा भी उत्प्रेरित किया जा सकता है जिसमें दो धातुएँ होती हैं। कार्बनिक रेडॉक्स प्रतिक्रिया एडिपिक एसिड बनाने के लिए एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया चित्र 3 में दिखाई गई है और इसे कोबाल्ट नैनोकणों द्वारा उत्प्रेरित किया जा सकता है। इसका उपयोग नायलॉन 6,6 बहुलक के उत्पादन के लिए औद्योगिक पैमाने पर किया जाता है। ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के अन्य उदाहरण जो धातु के नैनोकणों द्वारा उत्प्रेरित होते हैं, उनमें साइक्लोऑक्टेन का ऑक्सीकरण, एथेन का ऑक्सीकरण और ग्लूकोज ऑक्सीकरण शामिल हैं। सी-सी युग्मन प्रतिक्रियाएं धातु के नैनोकण सी-सी युग्मन प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित कर सकते हैं जैसे कि ओलेफिन का हाइड्रोफॉर्मिलेशन, विटामिन ई का संश्लेषण और हेक युग्मन और सुजुकी युग्मन प्रतिक्रियाएं। पैलेडियम नैनोपार्टिकल्स को हेक युग्मन प्रतिक्रियाओं को कुशलता से उत्प्रेरित करने के लिए पाया गया। यह पाया गया कि पैलेडियम नैनोपार्टिकल्स पर लिगेंड की बढ़ी हुई इलेक्ट्रोनगेटिविटी ने उनकी उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाया। यौगिक पी. डी. 2 (डी. बी. ए.) 3 पी. डी. (0) का एक स्रोत है, जो क्रॉस कपलिंग प्रतिक्रियाओं सहित कई प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोग किए जाने वाले पैलेडियम का उत्प्रेरक रूप से सक्रिय स्रोत है। पी. डी. 2 (डी. बी. ए.) 3 को एक सजातीय उत्प्रेरक अग्रदूत माना जाता था, लेकिन हाल के लेखों से पता चलता है कि पैलेडियम नैनोपार्टिकल्स बनते हैं, जिससे यह एक विषम उत्प्रेरक अग्रदूत बन जाता है। वैकल्पिक ईंधन आयरन ऑक्साइड और कोबाल्ट नैनोकणों को फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया का उपयोग करके कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन जैसी गैसों को तरल हाइड्रोकार्बन ईंधन में बदलने के लिए एल्यूमिना जैसी विभिन्न सतह सक्रिय सामग्रियों पर लोड किया जा सकता है। नैनोमटेरियल-आधारित उत्प्रेरक पर बहुत शोध का संबंध ईंधन कोशिकाओं में उत्प्रेरक कोटिंग की प्रभावशीलता को अधिकतम करने से है। प्लैटिनम वर्तमान में इस अनुप्रयोग के लिए सबसे आम उत्प्रेरक है, हालांकि, यह महंगा और दुर्लभ है, इसलिए बहुत सारे शोध अन्य धातुओं के उत्प्रेरक गुणों को इस उम्मीद में नैनोकणों में सिकोड़कर अधिकतम करने में जा रहे हैं कि किसी दिन वे प्लैटिनम के लिए एक कुशल और आर्थिक विकल्प होंगे। सोने के नैनोकण भी उत्प्रेरक गुण प्रदर्शित करते हैं, इस तथ्य के बावजूद कि थोक सोना प्रतिक्रियाशील नहीं है। यट्रियम स्थिर जिरकोनियम नैनोकणों को एक ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिका की दक्षता और विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए पाया गया। नैनोमटेरियल रुथेनियम/प्लैटिनम उत्प्रेरक का उपयोग संभवतः हाइड्रोजन भंडारण के लिए हाइड्रोजन के शुद्धिकरण को उत्प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है। पर्यावरण में वायु प्रदूषण को नियंत्रित करने के लिए CO और NO के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करने के लिए पैलेडियम नैनोपार्टिकल्स को ऑर्गेनोमेटेलिक लिगेंड के साथ कार्यात्मक बनाया जा सकता है। कार्बन नैनोट्यूब समर्थित उत्प्रेरक का उपयोग ईंधन कोशिकाओं के लिए कैथोड उत्प्रेरक समर्थन के रूप में किया जा सकता है और धातु नैनोपार्टिकल्स का उपयोग कार्बन नैनोट्यूब के विकास को उत्प्रेरित करने के लिए किया गया है। कार्बन नैनोट्यूब के साथ संयुक्त प्लैटिनम-कोबाल्ट द्विधात्विक नैनोपार्टिकल्स प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन कोशिकाओं के लिए आशाजनक उम्मीदवार हैं क्योंकि वे एक उच्च स्थिर वर्तमान इलेक्ट्रोड का उत्पादन करते हैं। चिकित्सा चुम्बकीय रसायन विज्ञान में, नैनोकणों का उपयोग औषधीय उपयोग के लिए उत्प्रेरक समर्थन के लिए किया जा सकता है। नैनोज़ाइम पारंपरिक उत्प्रेरण के अलावा, प्राकृतिक एंजाइमों की नकल करने के लिए नैनोमटेरियल्स की खोज की गई है। एंजाइम की नकल करने वाली गतिविधियों वाले नैनोमटेरियल्स को नैनोज़ाइम कहा जाता है। कई नैनोमटेरियल्स का उपयोग प्राकृतिक एंजाइमों की किस्मों की नकल करने के लिए किया गया है, जैसे कि ऑक्सीडेस, पेरोक्सीडेस, कैटालेस, एस. ओ. डी., न्यूक्लियस आदि। नैनोज़ाइमों ने बायोसेंसिंग और बायोइमेजिंग से लेकर चिकित्सीय और जल उपचार तक कई क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग पाए हैं। इलेक्ट्रोकैटालिसिस नैनो कैटेलिस्ट्स के लिए नैनोस्ट्रक्चर ईंधन कोशिकाओं और इलेक्ट्रोलाइज़र में व्यापक रुचि रखते हैं, जहां उत्प्रेरक दक्षता को दृढ़ता से प्रभावित करता है। नैनोपोरस सतह ईंधन कोशिकाओं में, नैनोपोरस सामग्री का व्यापक रूप से कैथोड बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। प्लैटिनम के छिद्रपूर्ण नैनोकणों में नैनोकैटलिसिस में अच्छी गतिविधि होती है लेकिन वे कम स्थिर होते हैं और उनका जीवनकाल छोटा होता है। नैनोपार्टिकल्स नैनोपार्टिकल्स के उपयोग में एक कमी उनकी एकत्रित होने की प्रवृत्ति है। सही उत्प्रेरक समर्थन से समस्या को कम किया जा सकता है। नैनोपार्टिकल्स नैनोसेंसर के रूप में उपयोग की जाने वाली इष्टतम संरचनाएं हैं क्योंकि उन्हें विशिष्ट अणुओं का पता लगाने के लिए ट्यून किया जा सकता है। बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब पर इलेक्ट्रोडिपॉजिट किए गए पीडी नैनोपार्टिकल्स के उदाहरणों ने क्रॉस-कपलिंग प्रतिक्रियाओं के उत्प्रेरण की दिशा में अच्छी गतिविधि दिखाई है। नैनोवायर नैनोवायर विद्युत उत्प्रेरक उद्देश्य के लिए बहुत दिलचस्प हैं क्योंकि उनका उत्पादन करना आसान है और उत्पादन प्रक्रिया में उनकी विशेषताओं पर नियंत्रण काफी सटीक है। इसके अलावा, नैनोवायर अपनी स्थानिक सीमा के कारण फैराडिक दक्षता बढ़ा सकते हैं और इस प्रकार सक्रिय सतह पर अभिकारकों की अधिक उपलब्धता हो सकती है। सामग्री इलेक्ट्रोकैटलिसिस प्रक्रियाओं में शामिल नैनोस्ट्रक्चर विभिन्न सामग्रियों से बने हो सकते हैं। नैनोस्ट्रक्चर्ड सामग्री के उपयोग के माध्यम से, विद्युत उत्प्रेरक अच्छी भौतिक-रासायनिक स्थिरता, उच्च गतिविधि, अच्छी चालकता और कम लागत प्राप्त कर सकते हैं। धातु नैनोमटेरियल्स आमतौर पर संक्रमण धातुओं (ज्यादातर लोहा, कोबाल्ट, निकल, पैलेडियम, प्लैटिनम) से बने होते हैं। बहु-धातु नैनोमटेरियल्स प्रत्येक धातु की विशेषताओं के कारण नए गुण दिखाते हैं। लाभ गतिविधि में वृद्धि, चयनात्मकता और स्थिरता और लागत में कमी हैं। धातुओं को विभिन्न तरीकों से जोड़ा जा सकता है जैसे कि कोर-शेल द्वि-धातु संरचना मेंः सबसे सस्ती धातु कोर बनाती है और सबसे सक्रिय धातु (आमतौर पर एक उत्कृष्ट धातु) खोल का गठन करती है। इस डिजाइन को अपनाने से दुर्लभ और महंगी धातुओं के उपयोग को 20 प्रतिशत तक कम किया जा सकता है। भविष्य की चुनौतियों में से एक अच्छी गतिविधि और विशेष रूप से कम लागत के साथ नई स्थिर सामग्री खोजना है। धातु के चश्मे, पॉलीमेरिक कार्बन नाइट्राइड (पी. सी. एन.) और धातु-कार्बनिक ढांचे (एम. ओ. एफ.) से प्राप्त सामग्री विद्युत उत्प्रेरक गुणों वाली सामग्री के कुछ उदाहरण हैं जिन पर वर्तमान में शोध किया जा रहा है। कई प्रकाश उत्प्रेरक प्रणालियाँ एक उत्कृष्ट धातु के साथ युग्मन से लाभान्वित हो सकती हैं; पहली फुजिशिमा-होंडा कोशिका ने सह-उत्प्रेरक प्लेट का भी उपयोग किया। उदाहरण के लिए, जल विभाजन के लिए एक फैलाव प्रकाश उत्प्रेरक रिएक्टर का आवश्यक डिजाइन एक जल सॉल का है जिसमें फैला हुआ चरण अर्धचालक क्वांटम डॉट्स से बना होता है जिसमें से प्रत्येक एक धातु सह-उत्प्रेरक के साथ जुड़ा होता हैः क्यूडी आने वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण को एक उत्तेजना में परिवर्तित करता है जबकि सह-उत्प्रेरक एक इलेक्ट्रॉन सफाई करने वाले के रूप में कार्य करता है और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की अधिक क्षमता को कम करता है। नैनोपार्टिकल्स की विशेषता कुछ तकनीकें जिनका उपयोग कार्यात्मक नैनोमटेरियल उत्प्रेरक की विशेषता के लिए किया जा सकता है, उनमें एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी, संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, गोलाकार डाइक्रोइज्म स्पेक्ट्रोस्कोपी, परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, यूवी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी और संबंधित प्रयोग शामिल हैं। नैनोमटेरियल्स नैनोटेक्नोलॉजी ट्रांजिशन मेटल क्वांटम डॉट प्लेटिनम नैनोपार्टिकल्स इकोसाहेड्रल जुड़वां नैनोजाइम संदर्भ आगे पढ़ने के लिए उत्प्रेरक नैनोमटेरियल्स देखें।