नैनो सामग्री आधारित उत्प्रेरक

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नैनो सामग्री-आधारित उत्प्रेरक प्रायः उत्प्रेरक प्रक्रिया को बढ़ाने के लिए धातु नैनोकणों में विभाजित विषम उत्प्रेरक होते हैं। धातु नैनोकणों में उच्च सतह क्षेत्र होता है, जो उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ा सकता है। नैनोपार्टिकल उत्प्रेरकों को आसानी से पृथक और पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।[1][2][3] वे सामान्यतः नैनोकणों के अपघटन को विराम के लिए हल्की परिस्थितियों में उपयोग किए जाते हैं।[4]

कार्यात्मक नैनोकणों

गैर-कार्यात्मक धातु नैनोकणों की तुलना में कार्यात्मक धातु नैनोकण सॉल्वैंट्स की ओर अधिक स्थिर होते हैं।[5][6] तरल पदार्थों में, धातु के नैनोकणों को वैन डेर वाल्स फोर्स द्वारा प्रभावित किया जा सकता है। कण एकत्रीकरण कभी-कभी सतह क्षेत्र को कम करके उत्प्रेरक गतिविधि को कम कर सकता है।[7] नैनोकणों को एक सुरक्षात्मक परत प्रदान करके नैनोकणों को स्थिर रूप से स्थिर करने के लिए पॉलिमर या ऑलिगोमर्स के साथ क्रियाशील किया जा सकता है जो नैनोकणों को एक दूसरे के साथ सहभागिता करने से प्रतिबंधित है।[8] दो धातुओं के मिश्र धातु, जिन्हें द्विधातु नैनोकण कहा जाता है, इनका उपयोग दो धातुओं के बीच उत्प्रेरण पर सहक्रियात्मक प्रभाव उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।[9]

संभावित अनुप्रयोग

डीहलोजेनेशन और हाइड्रोजनीकरण

नैनोपार्टिकल उत्प्रेरक पॉलीक्लोरीनेटेड बाइफिनाइल्स जैसे C-Cl बॉन्ड के हाइड्रोजनोलिसिस के लिए सक्रिय होते हैं।[5][6] एक अन्य प्रतिक्रिया जड़ी-बूटियों और कीटनाशकों के साथ-साथ डीजल ईंधन के संश्लेषण में महत्वपूर्ण हलोजनयुक्त सुगंधित अमाइन का हाइड्रोजनीकरण है।।[5] कार्बनिक रसायन विज्ञान में, ड्यूटेरियम के साथ C-Cl बॉन्ड के हाइड्रोजनीकरण का उपयोग काइनेटिक आइसोटोप प्रभाव से निपटने वाले प्रयोगों में उपयोग के लिए सुगंधित रिंगों को चुनिंदा रूप से लेबल करने के लिए किया जाता है। बिल्ड एट अल ;रोडियाम समन्वय परिसर बनाया जिसने रोडियम नैनोकणों को उत्पन्न किया। इन नैनोकणों ने सुगंधित यौगिकों के डीहेलोजेनेशन के साथ-साथबेंजीन के हाइड्रोजनीकरण को सैक्लोहेक्सेन में उत्प्रेरित किया।[6] पॉलिमर-स्थिर नैनोकणों का उपयोग सिन्मलडीहाईड और सिट्रोनेललाल के हाइड्रोजनीकरण के लिए भी किया जा सकता है।[5][7][10][9] यू एट अल; में पाया गया कि रूथेनियम नैनोकैटलिस्ट उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक उत्प्रेरकों की तुलना में सिट्रोनेलल के हाइड्रोजनीकरण में अधिक चयनात्मक हैं।[9]

हाइड्रोसिलिलेशन प्रतिक्रियाएं

हाइड्रोसिलिलेशन प्रतिक्रिया


सिलेन के साथ सोना,कोबाल्ट,निकल, दुर्ग, या प्लैटिनम ऑर्गेनोमेटेलिक कॉम्प्लेक्स का रेडोक्स धातु नैनोपार्टिकल का उत्पादन करता है जो हाइड्रोसिलिलेशन प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है।[11] बिनाप -कार्यात्मक पैलेडियम नैनोकणों और सोने के नैनोकणों का उपयोग हल्के परिस्थितियों में स्टाइरीन के हाइड्रोसिलाइलेशन के लिए किया गया है; वे गैर-नैनोपार्टिकल पैलेडियम- बिनाप परिसरों की तुलना में अधिक उत्प्रेरक रूप से सक्रिय और अधिक स्थिर पाए गए हैं।[11][12] प्रतिक्रिया एक नैनोकण द्वारा उत्प्रेरित भी हो सकती है जिसमें दो धातुएं होती हैं।[5][13]

कार्बनिक रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं

एडिपिक एसिड को संश्लेषित करने के लिए साइक्लोहेक्सेन की ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया

एडिपिक एसिड बनाने के लिए ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को चित्र-3 में दिखाया गया है और इसे कोबाल्ट नैनोकणों द्वारा उत्प्रेरित किया जा सकता है।[5]इसका उपयोग औद्योगिक मानदंड पर नायलॉन 6,6 बहुलक के उत्पादन के लिए किया जाता है।

धातु नैनोकणों द्वारा उत्प्रेरित ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के अन्य उदाहरणों में साइक्लोओक्टेन का ऑक्सीकरण, एथीन का ऑक्सीकरण और ग्लूकोज ऑक्सीकरण सम्मिलित हैं।[5]

C-C युग्मन प्रतिक्रियाएं

हेक युग्मन प्रतिक्रिया

धातु के नैनोकण सी-सी युग्मन प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित कर सकते हैं जैसे ओलेफिन्स का हाइड्रोफॉर्माइलेशन,[5] विटामिन ई और हेक कपलिंग और सुजुकी युग्मन प्रतिक्रियाओं का संश्लेषण होता है।[5]

पैलेडियम नैनोकणों को हेक युग्मन प्रतिक्रियाओं को कुशलतापूर्वक उत्प्रेरित करने के लिए पाया गया है। यह पाया गया कि पैलेडियम नैनोकणों पर लाइगैंडों की बढ़ी हुई वैद्युतीयऋणात्मकता ने उनकी उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ा दिया।[5][14]

यौगिक Pd2 (dba)3, Pd (0) का एक स्रोत है, जो क्रॉस-युग्मन प्रतिक्रियाओं सहित कई प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोग किए जाने वाले पैलेडियम का एक उत्प्रेरक रूप से सक्रिय स्रोत है।[4] Pd2(dba)3 को एक सजातीय उत्प्रेरक अग्रदूत माना जाता था, लेकिन हाल के लेखों से पता चलता है कि पैलेडियम नैनोकणों का निर्माण होता है, जिससे यह एक विषम उत्प्रेरक अग्रदूत बन जाता है।[4]

वैकल्पिक ईंधन

फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया का उपयोग करके कार्बन मोनोआक्साइड और हाइड्रोजन जैसे गैसों को तरल हाइड्रोकार्बन ईंधन में परिवर्तित करने के लिए आयरन ऑक्साइड और कोबाल्ट नैनोकणों को विभिन्न प्रकार की सतह सक्रिय सामग्री जैसे एल्यूमिना पर लोड किया जा सकता है।[15][16]

नैनोमटेरियल-आधारित उत्प्रेरकों पर अधिक शोध का उद्देश्य ईंधन कोशिकाओं में उत्प्रेरक कोटिंग की प्रभावशीलता को अधिकतम करना है। प्लेटिनम वर्तमान में इस एप्लिकेशन के लिए सबसे आम उत्प्रेरक है, हालांकि, यह महंगा और दुर्लभ है, इसलिए अन्य धातुओं के उत्प्रेरक गुणों को अधिकतम करने के लिए उन्हें नैनोकणों में इस आशा में बढ़ाया जा रहा है कि किसी दिन वे उत्प्रेरक बन सकते हैं। प्लेटिनम का कुशल और आर्थिक विकल्प होगा। सोने के नैनोकण भी उत्प्रेरक गुणों का प्रदर्शन करते हैं, इस तथ्य के अतिरिक्त कि थोक सोना अप्रतिक्रियाशील है।

ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल की दक्षता और विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए येट्रियम-स्थिर जिरकोनियम नैनोपार्टिकल्स पाए गए।[17][18] हाइड्रोजन भंडारण के लिए हाइड्रोजन के शुद्धिकरण को उत्प्रेरित करने के लिए नैनोसामग्री रूथेनियम/प्लैटिनम उत्प्रेरक का संभावित रूप से उपयोग किया जा सकता है।[19] पर्यावरण (बायोफिजिकल) में वायु प्रदूषण को नियंत्रित करने के लिए CO और NO के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करने के लिए पैलेडियम नैनोकणों को ऑर्गोमेटेलिक लिगैंड्स के साथ क्रियाशील किया जा सकता है।[17] कार्बन नैनोनलिका समर्थित उत्प्रेरक का उपयोग ईंधन सेल के लिए कैथोड उत्प्रेरक समर्थन के रूप में किया जा सकता है और कार्बन नैनोनलिका के विकास को उत्प्रेरित करने के लिए धातु नैनोकणों का उपयोग किया गया है।[17] कार्बन नैनोनलिका  के साथ संयुक्त प्लेटिनम-कोबाल्ट द्विधातु नैनोकण प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन कोशिकाओं के लिए आशापूर्ण उम्मीदवार हैं क्योंकि वे एक उच्च स्थिर वर्तमान इलेक्ट्रोड का उत्पादन करते हैं।[17]

दवा

चुंबकीय रसायन विज्ञान में, औषधीय उपयोग के लिए उत्प्रेरक समर्थन के लिए नैनोकणों का उपयोग किया जा सकता है।

नैनोजाइम

पारंपरिक कटैलिसीस के अतिरिक्त, प्राकृतिक एंजाइमों की नकल करने के लिए नैनोमैटेरियल्स का पता लगाया गया है। एंजाइम-मिमिकिंग गतिविधि वाले नैनोमैटेरियल्स को नैनोजाइम कहा जाता है।[20] कई नैनोसामग्री्स का उपयोग प्राकृतिक एंजाइमों के प्रकार को प्रतिरूप करने के लिए किया गया है, जैसे कि ऑक्सीडेज, पेरोक्सीडेज, कैटेलेज, एसओडी, न्यूक्लीज,आदि हैं। नैनोजाइम ने कई क्षेत्रों में बायोसेंसिंग और बायोइमेजिंग से लेकर चिकित्सीय और जल उपचार तक व्यापक अनुप्रयोग पाए हैं।

इलेक्ट्रोकैटलिसिस के लिए नैनोस्ट्रक्चर

नैनोकैटलिस्ट ईंधन कोशिकाओं और इलेक्ट्रोलाइजर्स में व्यापक रुचि रखते हैं, जहां उत्प्रेरक दक्षता को दृढ़ता से प्रभावित करता है।

नैनोपोरस सतहों

ईंधन सेल में, कैथोड बनाने के लिए नैनोपोरस सामग्री का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। प्लेटिनम के झरझरा नैनोकणों की नैनोकैटलिसिस में अच्छी गतिविधि होती है लेकिन वे कम स्थिर होते हैं और उनका जीवनकाल छोटा होता है।[21]

नैनोपार्टिकल्स

Main article: नैनोपार्टिकल

नैनोकणों के उपयोग के लिए एक दोष उनकी समूह की प्रवृत्ति है। सहीउत्प्रेरक समर्थन से समस्या को कम किया जा सकता है। नैनोकणों को नैनोसेंसर के रूप में उपयोग करने के लिए इष्टतम संरचनाएं हैं क्योंकि उन्हें विशिष्ट अणुओं का पता लगाने के लिए ट्यून किया जा सकता है। बहु दीवारों वाले कार्बन नैनोनलिका पर इलेक्ट्रोडेपोसिट किए गए पीडी नैनोकणों के उदाहरणों ने क्रॉस-कपलिंग प्रतिक्रियाओं के उत्प्रेरण की दिशा में अच्छी गतिविधि दिखाई है।[22]

नैनोवायर

Main article: नैनोवायर

इलेक्ट्रोकैटलिटिक उद्देश्य के लिए नैनोवायर बहुत रोचक हैं क्योंकि वे उत्पादन में सरल होते हैं और उत्पादन प्रक्रिया में उनकी विशेषताओं पर नियंत्रण पूर्णतया सटीक होता है। इसके अतरिक्त, नैनोवायर अपनी स्थानिक सीमा के कारण फैराडिक दक्षता बढ़ा सकते हैं और इस प्रकार सक्रिय सतह पर अभिकारकों की अधिक उपलब्धता हो सकती है।[23]

सामग्री

इलेक्ट्रोकैटलिसिस प्रक्रियाओं में सम्मिलित नैनोस्ट्रक्चर विभिन्न सामग्रियों से बने हो सकते हैं। नैनोसंरचित सामग्री के उपयोग के माध्यम से, विद्युत उत्प्रेरक अच्छी भौतिक-रासायनिक स्थिरता, उच्च गतिविधि, अच्छी चालकता और कम लागत प्राप्त कर सकते हैं। धातु नैनोसामग्री प्रायः संक्रमण धातुओं (ज्यादातर लोहा, कोबाल्ट, निकल, पैलेडियम, प्लैटिनम) से बने होते हैं। बहु-धातु नैनोमैटेरियल्स प्रत्येक धातु की विशेषताओं के कारण नए गुण दिखाते हैं। लाभ गतिविधि में वृद्धि, चयनात्मकता और स्थिरता और लागत में कमी है। धातुओं को अलग-अलग तरीकों से जोड़ा जा सकता है जैसे कि कोर-शेल द्विधातु संरचना में सबसे सस्ती धातु कोर बनाती है और सबसे सक्रिय (प्रायः एक महान धातु) शेल का निर्माण करती है। इस डिजाइन को अपनाकर दुर्लभ और महंगी धातुओं के उपयोग को 20% तक कम किया जा सकता है।[24] भविष्य की चुनौतियों में से एक अच्छी गतिविधि और विशेष रूप से कम लागत के साथ नई स्थिर सामग्री ढूंढना है। धातु के गिलास, बहुलक कार्बन नाइट्राइड (PCN) और धातु-कार्बनिक ढांचे (MOF) से प्राप्त सामग्री इलेक्ट्रोकैटलिटिक गुणों वाली सामग्री के कुछ उदाहरण हैं जिन पर अनुसंधान वर्तमान में निवेश कर रहा है।[25][26][27]

फोटोकैटलिसिस

कई फोटोकैटलिटिक सिस्टम एक महान धातु के साथ युग्मन से लाभ उठा सकते हैं; पहली फुजीशिमा-होंडा सेल ने सह-उत्प्रेरक प्लेट का भी उपयोग किया। उदाहरण के लिए, पानी के बंटवारे के लिए एक फैलाव फोटोकैटलिटिक रिएक्टर का आवश्यक डिज़ाइन एक पानी के सोल का होता है जिसमें फैला हुआ चरण अर्धचालक क्वांटम डॉट्स से बना होता है, जो प्रत्येक एक धातु सह-उत्प्रेरक से जुड़ा होता है: QD आने वाले विद्युत चुम्बकीय विकिरण को एक में परिवर्तित करता है। एक्साइटन जबकि सह-उत्प्रेरक एक इलेक्ट्रॉन के रूप में कार्य करता है और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया की अधिकता को कम करता है।[28]

नैनोकणों की विशेषता

कुछ तकनीकों का उपयोग कार्यात्मक नैनोसामग्री उत्प्रेरक को चिह्नित करने के लिए किया जा सकता है जिनमें एक्स - रे फ़ोटोइलैक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, वृत्ताकार द्वैतवाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, यूवी-दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी और संबंधित प्रयोग सम्मिलित हैं।

यह भी देखें

संदर्भ

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अग्रिम पठन

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