کاتالیز ناهمگن

در شیمی، کاتالیز ناهمگن(به انگلیسی: Heterogeneous catalysis) گونه ای از کاتالیز است که در آن فاز کاتالیزور متفاوت از فاز واکنش‌گر^[۱] 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^[۲] 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.^[۳] 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. ^[۴] تقریباً ۳۵٪ از تولید ناخالص داخلی(GDP) جهان تحت تأثیر کاتالیز ناهمگن است.^[۵] تولید ۹۰٪ مواد شیمیایی (از نظر حجم) به کمک کاتالیزورهای جامد صورت می‌گیرد.^[۶] 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.^[۷]

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.^[۸] 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.^[۵]

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:^[۹]

  

  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.^[۱۰]
• اکثریت قریب به اتفاق کاتالیزورهای ناهمگن بر پایه فلزات ^[۱۱] یا اکسیدهای فلزی هستند.^[۱۲][۱۳] با این حال، برخی از واکنش‌های شیمیایی می‌توانند توسط موادِ بر پایه کربن، به عنوان مثال، هیدروژن‌زدایی^[۱۴] یا اکسایش انتخابی، کاتالیز شوند.^[۱۵]
  • Ethylbenzene + 1/2 O₂ → Styrene + H₂O
  • Acrolein + 1/2 O₂ → Acrylic acid

جستارهای وابسته

• کاتالیزورهای مبتنی بر نانومواد
• طیف‌بینی دفع گرمایی