پژوهشگران با توسعه کاتالیستی با ساختار نیمه‌مدفون و ترکیب اتمی-نانوذره‌ای، عملکردی فراتر از استانداردهای سنتی به نمایش گذاشتند. در مقاله‌ای که در Science China Press منتشر شده است، پژوهشگران موفق به توسعه راهکاری نوین برای حل یکی از اساسی‌ترین چالش‌های کاتالیست‌های فلزی پایه‌دار شده‌اند: دستیابی همزمان به فعالیت بالا و پایداری طولانی‌مدت در واکنش‌های شیمیایی پیچیده مانند هیدروژناسیون انتخابی.
به گزارش ایسنا، کاتالیست‌های فلزی پایه‌دار کلاسیک معمولاً از گونه‌های فلزی فعال تشکیل شده‌اند که روی سطح تکیه‌گاه‌هایی با سطح ویژه بالا مانند کربن، زئولیت، اکسیدهای فلزی یا سیلیکا پراکنده شده‌اند. اگرچه این نوع کاتالیست‌ها به‌دلیل سطح در معرض بالای فلزات فعال از نظر عملکرد کاتالیستی بسیار مؤثر هستند، اما پایداری آن‌ها به‌ویژه تحت شرایط سخت واکنشی، محدود است. دلیل این مساله انرژی سطحی بالای نانوذرات یا اتم‌های منفرد فلزی و همچنین ضعف در برهم‌کنش بین فلز و تکیه‌گاه است. این کاتالیست‌ها همچنین در معرض تغییرات ساختاری مانند تغییر اندازه و شکل در طول واکنش هستند که می‌تواند انتخاب‌پذیری آن‌ها را نیز به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار دهد.
برای حل این مشکل، محققان در سال‌های اخیر به روش کپسوله‌سازی فلزات در مواد مقاومی مانند اکسیدهای غیرآلی، کربن یا چارچوب‌های فلزی-آلی (MOF) روی آورده‌اند. این روش با محصورکردن ذرات فلزی در نانوپوشش‌ها، از تجمیع و مهاجرت آن‌ها جلوگیری کرده و موجب افزایش پایداری می‌شود. اما این ساختارها نیز معایب خاص خود را دارند:
* کاهش فعالیت کاتالیستی به‌دلیل ضخامت لایه پوششی؛
* حساسیت نسبت به آب یا اسید در برخی واکنش‌ها؛
* دشواری در تولید انبوه با هزینه پایین و کنترل ساختاری دقیق.
در این مطالعه، پژوهشگران روشی چهار مرحله‌ای با عنوان پوشش‌دهی – آغشته‌سازی – پیرولیز – اچ را به‌کار گرفتند تا کاتالیستی جدید با نام Ru-Al₂O₃@CN-A توسعه دهند. این کاتالیست از ترکیبی از اتم‌های منفرد روتنیوم (Ru) و نانوذرات پخش‌شده Ru تشکیل شده‌است که درون یک لایه نیتروژن‌دار از کربن تعبیه شده‌اند.
آن‌چه این ساختار را منحصربه‌فرد می‌کند، اثر هم‌افزایی میان اتم‌های منفرد و نانوذرات است:
* اتم‌های منفرد Ru مسئول جذب و شکستن مولکول‌های هیدروژن هستند.
* نانوذرات Ru به فعال‌سازی مولکول کوینولین (Quinoline) می‌پردازند.
* اتم‌های H آزاد شده می‌توانند مستقیماً واکنش داده یا به‌سمت نانوذرات مهاجرت کنند تا فرآیند هیدروژناسیون تکمیل شود.
این اثر هم‌افزایی در کنار ساختار نیمه‌مدفون کاتالیست، به آن امکان می‌دهد تا عملکردی چشم‌گیر در واکنش هیدروژناسیون انتخابی کوینولین داشته باشد.
به نقل از ستاد نانو، نتایج تجربی، تحلیل‌های ساختاری و محاسبات نظری مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT) همگی نشان می‌دهند که این ساختار ترکیبی می‌تواند همزمان به فعالیت بالا و پایداری شیمیایی قابل‌توجه دست یابد.
پژوهشگران تأکید دارند که این دستاورد می‌تواند الگویی نو برای طراحی کاتالیست‌هایی باشد که محدودیت‌های ساختارهای کلاسیک را پشت سر گذاشته‌اند. در حوزه‌هایی نظیر سنتز شیمیایی، تبدیل انرژی و حفاظت از محیط‌زیست، بهره‌گیری از این رویکرد می‌تواند موجب افزایش بازده، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر فرآیندهای کاتالیستی شود.
منبع: ایسنا