کاتالیز ناهمگن

در شیمی، کاتالیز ناهمگن(به انگلیسی: Heterogeneous catalysis) گونه ای از کاتالیز است که در آن فاز کاتالیزور متفاوت از فاز واکنش‌گر^[1] یا فرآورده‌ها است. این فرایند با کاتالیز همگن که در آن واکنش‌گرها، محصولات و کاتالیزورها در یک فاز وجود دارند، در تضاد است. فازها از حالت‌های فیزیکی جامد، مایع و گاز قابل تمایزند. همچنین در مخلوط‌های غیرقابل امتزاج (به عنوان مثال روغن و آب) یا هرجایی که به وسیله فصل مشترک تمایز ایجاد می‌شود، وجود دارند. کاتالیزورها ترکیبات مفیدی هستند زیرا سرعت واکنش را افزایش می‌دهند^[2] بدون اینکه خودشان مصرف شوند و بنابراین قابل استفاده مجدد نیز هستند.

هیدروژنه کردن اتن روی سطح جامد کاتالیزوری (۱) جذب سطحی (۲) واکنش (۳) دفع

کاتالیز ناهمگن معمولاً شامل کاتالیزورهای فاز جامد و واکنشگرهای فاز گاز است.^[3] در این حالت، یک چرخه جذب، واکنش و دفع مولکولی در سطح کاتالیزور وجود دارد. ترمودینامیک، انتقال جرم و انتقال گرما بر سرعت (سینتیک) واکنش تأثیر دارند.

کاتالیز ناهمگن از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا تولید سریع‌تر، در مقیاس بزرگ و تشکیل محصول انتخابی را امکان‌پذیر می‌کند. ^[4] تقریباً ۳۵٪ از تولید ناخالص داخلی(GDP) جهان تحت تأثیر کاتالیز ناهمگن است.^[5] تولید ۹۰٪ مواد شیمیایی (از نظر حجم) به کمک کاتالیزورهای جامد صورت می‌گیرد.^[6] صنایع شیمیایی و انرژی به شدت به کاتالیز ناهمگن متکی هستند. به عنوان مثال، در فرایند هابر-بوش از کاتالیزورهای مبتنی بر فلز برای سنتز آمونیاک، که یک جز مهم در تولید کودهای شیمیایی است، استفاده می‌شود. در سال ۲۰۱۶، ۱۴۴ میلیون تن آمونیاک تولید شده‌است.^[7]

نمونه‌های صنعتی

در صنعت، بسیاری از متغیرهای طراحی باید در نظر گرفته شوند از جمله راکتور و طراحی کاتالیزور در مقیاس‌های مختلف از کمتر از نانو تا ده‌ها متر. رآکتورهای کاتالیز ناهمگن متعارف شامل رآکتورهای ناپیوسته(بچ)، پیوسته و بستر سیال هستند، در حالی که گونه‌های جدیدتر شامل رآکتورهای بستر ثابت، میکروکانال و رآکتورهای چند منظوره است.^[8] متغیرهای دیگری که باید در نظر گرفته شود ابعاد رآکتور، سطح، نوع کاتالیزور، پشتیبانی کاتالیزور و همچنین شرایط عملکرد رآکتور مانند دما، فشار و غلظت واکنش دهنده است.

نمایش شماتیک یک سیستم کاتالیزوری ناهمگن از مقیاسنانو تا مقیاس صنعتی.

برخی از فرایندهای صنعتی در مقیاس بزرگ شامل کاتالیزورهای ناهمگن در جدول زیر ذکر شده‌است.^[5]

فرایند	واکنش دهنده‌ها، محصولات (غیر تعادلی)	کاتالیزور	توضیحات
سنتز سولفوریک اسید (فرایند تماس)	SO۲ + O۲ ، SO۳	اکسیدهای وانادیوم	هیدراته‌کردن SO۳ که باعث تولید H۲SO۴ می‌شود.
سنتز آمونیاک (فرایند هابر-بوش)	N۲ + H۲ ، NH۳	اکسیدهای آهن بر روی آلومینا (Al۲O۳)	۱٪ از بودجه انرژی صنعتی جهان را مصرف می‌کند.
سنتز نیتریک اسید (فرایند استوالد)	NH۳ + O۲ ، HNO۳	گاز آغشته به Pt-Rh	مسیرهای مستقیم از N۲ اقتصادی نیستند.
تولید هیدروژن توسط اصلاح بخار	CH۴ + H۲O ، H۲ + CO۲	نیکل یا K۲O	مسیرهای سبزتر به H۲ با شکافت آب به‌طور فعال مورد بررسی است.
سنتز اتیلن اکساید	C۲H۴ + O۲ ، C۲H۴O	نقره روی آلومینا، با بسیاری از پیش‌برنده‌ها	برای سایر الکن‌ها ضعیف است.
سنتز هیدروژن سیانید(اکسایش آندروسوف)	NH۳ + O۲ + CH۴ ، HCN	Pt-Rh	فرایند مربوط به آموکسایش، هیدروکربن‌ها را به نیتریل تبدیل می‌کند.
پلیمری‌کردن الفین زیگلر-ناتا	پروپیلن ، پلی پروپیلن	TiCl۳ بر روی MgCl۲	گونه‌های بسیاری وجود دارد، از جمله برخی از نمونه‌های همگن
گوگردزدایی از نفت (هیدرودسولفوریزاسیون)	H۲ + R۲S (ناخالصی ایده‌آل آلی گوگرد) ، RH + H۲S	Mo-Co در آلومینا	هیدروکربن‌های کم گوگرد تولید می‌کند، گوگرد از طریق فرایند کلاوس بازیابی می‌شود.

نمودار جریان فرایند که نشان دهنده استفاده از کاتالیز در سنتز آمونیاک (NH_۳) است.

مثال‌های دیگر

• کاهش نیتریل‌ها در سنتز فنتیل‌آمین با کاتالیزور نیکل رینی و هیدروژن در آمونیاک:^[9]

  

  هیدروژنه‌کردن نیتریل

• کراکینگ، ایزومری‌شدن و رفرماسیون هیدروکربن‌ها برای تشکیل مخلوط مناسب و مفید بنزین.
• در اتومبیل‌ها، مبدل‌های کاتالیزوری برای کاتالیز کردن سه واکنش اصلی زیر استفاده می‌شوند:
  • اکسایش کربن مونوکسید به کربن دی‌اکسید :

    ۲CO(g) + O_۲(g) → ۲CO_۲(g)

  • کاهش نیتروژن مونوکسید به نیتروژن:

    ۲NO(g) + ۲CO(g) → N_۲(g) + ۲CO_۲(g)

  • اکسایش هیدروکربن‌ها به آب و کربن دی‌اکسید:

    ۲C_۶H_۶ + ۱۵O_۲ → ۱۲CO_۲ + ۶H_۲O

• این فرایند می‌تواند با هریک از هیدروکربن‌ها اتفاق بیفتد، اما معمولاً با بنزین یا گازوئیل انجام می‌شود.
• کاتالیزِ ناهمگنِ نامتقارن، تولید ترکیبات آنانتیومر خالص را با استفاده از کاتالیزورهای ناهمگنِ کایرال تسهیل می‌کند.^[10]
• اکثریت قریب به اتفاق کاتالیزورهای ناهمگن بر پایه فلزات ^[11] یا اکسیدهای فلزی هستند.^[12][13] با این حال، برخی از واکنش‌های شیمیایی می‌توانند توسط موادِ بر پایه کربن، به عنوان مثال، هیدروژن‌زدایی^[14] یا اکسایش انتخابی، کاتالیز شوند.^[15]
  • Ethylbenzene + 1/2 O₂ → Styrene + H₂O
  • Acrolein + 1/2 O₂ → Acrylic acid

جستارهای وابسته

• کاتالیزورهای مبتنی بر نانومواد
• طیف‌بینی دفع گرمایی

منابع

1. Schlögl, Robert (2015-03-09). "Heterogeneous Catalysis". Angewandte Chemie International Edition. 54 (11): 3465–3520. doi:10.1002/anie.201410738. PMID 25693734. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
2. Chemistry, International Union of Pure and Applied. "IUPAC Gold Book - catalyst". goldbook.iupac.org. Retrieved 2019-02-12.
3. Rothenberg, Gadi (2008). Catalysis : concepts and green applications. Weinheim [Germany]: Wiley-VCH. ISBN 9783527318247. OCLC 213106542.
4. Information., Lawrence Berkeley National Laboratory. United States. Department of Energy. Office of Scientific and Technical (2003). The impact of nanoscience on heterogeneous catalysis. Lawrence Berkeley National Laboratory. OCLC 727328504.
5. Ma, Zhen; Zaera, Francisco (2006-03-15), King, R. Bruce; Crabtree, Robert H.; Lukehart, Charles M.; Atwood, David A. (eds.), "Heterogeneous Catalysis by Metals", Encyclopedia of Inorganic Chemistry, John Wiley & Sons, Ltd, doi:10.1002/0470862106.ia084, ISBN 9780470860786
6. Ma, Zhen; Zaera, Francisco (2006-03-15), "Heterogeneous Catalysis by Metals", in King, R. Bruce; Crabtree, Robert H.; Lukehart, Charles M.; Atwood, David A. (eds.), Encyclopedia of Inorganic Chemistry, John Wiley & Sons, Ltd, doi:10.1002/0470862106.ia084, ISBN 9780470860786
7. "United States Geological Survey, Mineral Commodity Summaries" (PDF). USGS. January 2018.
8. Thomas, J. M.; Thomas, W. J. (2014-11-19). Principles and practice of heterogeneous catalysis (Second, revised ed.). Weinheim, Germany. ISBN 9783527683789. OCLC 898421752.
9. Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p.720 (1955); Vol. 23, p.71 (1943). https://web.archive.org/web/20120315000000*/http://orgsynth.org/orgsyn/pdfs/CV4P0603.pdf
10. Heitbaum; Glorius; Escher (2006). "Asymmetric heterogeneous catalysis". Angew. Chem. Int. Ed. 45 (29): 4732–62. doi:10.1002/anie.200504212. PMID 16802397.
11. Wang, Aiqin; Li, Jun; Zhang, Tao (June 2018). "Heterogeneous single-atom catalysis". Nature Reviews Chemistry (به انگلیسی). 2 (6): 65–81. doi:10.1038/s41570-018-0010-1. ISSN 2397-3358.
12. Zeng, Liang; Cheng, Zhuo; Fan, Jonathan A.; Fan, Liang-Shih; Gong, Jinlong (November 2018). "Metal oxide redox chemistry for chemical looping processes". Nature Reviews Chemistry (به انگلیسی). 2 (11): 349–364. doi:10.1038/s41570-018-0046-2. ISSN 2397-3358.
13. Naumann d'Alnoncourt, Raoul; Csepei, Lénárd-István; Hävecker, Michael; Girgsdies, Frank; Schuster, Manfred E.; Schlögl, Robert; Trunschke, Annette (2014). "The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts". J. Catal. 311: 369–385. doi:10.1016/j.jcat.2013.12.008. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
14. Zhang, J.; Liu, X.; Blume, R.; Zhang, A.; Schlögl, R.; Su, D. S. (2008). "Surface-Modified Carbon Nanotubes Catalyze Oxidative Dehydrogenation of n-Butane". Science. 322 (5898): 73–77. Bibcode:2008Sci...322...73Z. doi:10.1126/science.1161916. PMID 18832641. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
15. Frank, B.; Blume, R.; Rinaldi, A.; Trunschke, A.; Schlögl, R. (2011). "Oxygen Insertion Catalysis by sp² Carbon". Angew. Chem. Int. Ed. 50 (43): 10226–10230. doi:10.1002/anie.201103340. PMID 22021211.

پیوند به بیرون

• پرونده‌های رسانه‌ای مربوط به Heterogeneous catalysis در ویکی‌انبار