Katalizör Sentezi

 KATALİZÖR SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE  UYGULAMALARI

GİRİŞ

Katalizör, bir kimyasal reaksiyonu hızlandıran veya bir reaksiyonu başlatmak için gereken sıcaklığı veya basıncı düşüren, ancak reaksiyon sırasında kendisi tüketilmeyen bir maddedir. Katalizörler, bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için aşılması gereken enerji bariyeri olan aktivasyon enerjisini düşürerek bu süreci daha verimli hale getirir.*

Katalizörler çevresel uygulamalarda, sanayi ve enerji alanında önemli rol oynarlar. Örneğin çevresel uygulamalarda egzoz gazı temizleme ve hava kirliliği kontrolünde kullanılırken; sanayi alanında kimyasal üretim ve petrol rafinerileri alanında kullanılır. Ayrıca enerji alanında da hidrojen üretimi ve yakıt pilleri için kullanılır.

KATALİZÖR SENTEZİ

Katalizör sentezinde yüksek yüzey alanına sahip katalizörlerin sentezlenmesi büyük önem taşımaktadır. Sentezlenen katalizörlerin aktivitesinde uzun süreli kullanımlarda ve/veya tekrarlı kullanımlarda önemli bir değişikliğin olmaması da eşit ölçüde önem taşımaktadır.**

Sentez yöntemleri şu şekildedir:

• Çözelti yöntemleri (örnek olarak sol-gel yöntemi, çöktürme)
• Katı hal sentezi
• Solvotermal veya hidrotermal yöntemler
• Yüzey işleme ve kaplama teknikleri (örnek olarak seramik veya metalik kaplamalar)

Katalizör sentezinde karşılaşılan zorluklar vardır bunlardan bazıları şunlardır:

1: Yüzey alanı ve aktivite: Katalizörün yüzey alanının yeterince büyük olmayışı aktiviteyi azaltıcı yönde etki eder. Bunu önlemek amaçlı yüksek yüzey alanına sahip destekler veya nanomalzemeler kullanılarak katalizör tasarımı yapılmalıdır.

2: Reaktiflerin seçimi: Kullanılan reaktiflerin uygunluk ve saflığı net bir öneme sahiptir. Buna karşılık yüksek saflıkta reaktiflerin kullanılması ve varsa eşdeğer başka reaktifler düşünülerek hareket edilmelidir.

3: Reaksiyon koşulları: Basınç, sıcaklık ve ortam koşullarının sistematik optimizasyonu yapılarak doğru ayarlanması gerekir.

4: Dayanıklılık ve stabilite: Katalizörler reaksiyon durum ve koşullarına bağlı olarak zamanla bozunmaya uğrayabilir. Uygun destek materyalleri veya koruyucu kaplamalar kullanarak bu bozunma süreci uzatılabilir.

5: Saflaştırma ve ayrıştırma: Sentez sonrası katalizörün saflaştırılması zor bir sürece bağlıdır. Etkili ayrıştırma teknikleri kullanılmalıdır.

6.Küçük ölçekli denmeler: Küçük ölçekli denemeler büyük çalışmalarda aynı beklenilen sonucu vermeyebilir. Süreçleri   büyük ölçekli modelleme ile desteklemek gerekir. Ayrıca yapay zeka destekleri ile sürecin ön izlemesi gözlemlenebilir.

7: Yan ürün oluşumu: İstenmeyen yan ürünler oluşabilir ve bunlar verimliliği etkileyebilir. Yan ürün oluşumu minimalize edilmeye çalışılmalıdır.

8:Ekonomik faktörler: katalizörün üretim maliyeti çok yüksek olabilir. Daha ekonomik ve verimli sentez yöntemleri araştırılıp geliştirilmelidir.

Ayrıca çok disiplinli yaklaşımlarda bulunarak, yeni teknolojilerden yararlanılarak ve düzgün literatür araştırmaları yapılarak oluşabilecek sorunlar önlenebilir veya düzeltilebilir.

KARAKTERİZASYON: KATALİZÖRLERİN KİMLİK KARTI

Katalizör karakterizasyonunun birincil amacı fiziksel, kimyasal ve katalitik özellikler ve aralarındaki ilişkiyi anlamaktır. Bu özellikler, çeşitli karakterizasyon teknikleri ile belirlenir. Bu özelliklerin katalizörün aktivitesi, kararlılığı ve seçiciliği ile doğrudan ilgisi vardır.***

Fiziksel karakterizasyonları, yani malzemelerin iç mikroyapısal özellikleri, parçacıkların şeklini ve boyutunu, gözenekliliği, yoğunluğu ve yüzey alanını içerir. Kimyasal karakterizasyonları ise, kimyasal bileşimin belirlenmesini ve elementlerin biyomateryal içindeki dağılımını içerir.****

Temel Analiz

1. Sıcaklık Programlı İndirgeme (TPR):

• Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak aktif metallerin indirgenme oranını ölçer.
• Katalizörlerin aktivitesi ile ilişkilendirilebilir

2. Sıcaklık Programlı Desorpsiyon (TPD):

• Sıcaklık fonksiyonu olarak adsorbe edilen moleküllerin desorbsiyon hızının ölçümü.
• Esas olarak katalizörlerin asit-baz özelliklerini (amonyak yardımıyla ) incelemek için kullanılır.

3. Termo Gravimetrik Analiz (TGA):

• Kontrollü gaz atmosferinde sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ağırlık kaybının (veya kazancının) ölçümü.
• Kütle değişimi ile ilişkili süreç tespit edilebilir veanaliz edilebilir.

4. Diferansiyel Termal Analiz (DTA):

• Numune ve referans arasındaki sıcaklık farkının izlenmesi.
• Gizli geçiş ısısı (latent heat) ile ilişkili süreç tespit edilebilir ve analiz edilebilir.

Mikroskobik Analiz

1. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM):

• Kat yüzeyin topografyasını görüntülemeye yarar.
• Çözünürlük seviyesi 0.5 nm ile sınırlıdır.

2. Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM):

• Mikro doku ve mikro yapıyı belirler
• 0.05 nm seviyesine kadar görüntü alınabilir.

 Spektroskopik Analiz

1. Kızılötesi Spektroskopi (Infra-red Spec.)

• Bileşikleri tanımlamaya ve numune bileşimini araştırmaya yarar.
• Yapı ve bağların incelenmesini sağlar.

2. Raman Spektroskopisi:

• Kimyasal yapı, faz ve polimorfi, kristallik ve moleküler etkileşim hakkında detaylı bilgi sağlar.
• Lazer ışığı kullanılır.
• Lazer ışığı, Numune moleküller ile etkileşime girebilen neredeyse tek renkli ışıktan oluşan çok yoğun bir ışın olduğu için kullanılır.

 Yapısal analiz

1.Yüzey Alanı

• Analiz için yaygın olarak BET (Brunauer, Emmet ve Teller) yöntemi kullanılır.
• Yüzey alanını belirlemek için soy gazların (genelde nitrojenin)çok katmanlı fizisorpsiyon  izotermleri kullanılır.

2. Gözenek Analizi

2.1. BJH Yöntemi:

• Barrett, Joyner ve Halenda  yöntemi, gözenek boyutunu hesaplamak için bir prosedürdür.
• Gözenek boyutu 2-50 nm arası olan malzemelere uygulanır.

2.2. Civa Yöntemi (mercury intrusion yöntemi):

• Islatma özelliği olmayan civa kullanılır.
• Moleküllerin gözeneklerinde reaksiyona girmeyen ve yüzey ıslatma özelliği olmayan civa gezdirilir.
• Civaya uygulanan basınç ile gözenek çapı, boyutu ve hacmi doğrudan ilgilidir.

3. X-Işını Kırınımı (XRD) :

• 3-5 nm’den büyük kristal alanları olan kristal malzemeleri algılayabilir.
• Kristal yapının ve kimyasal faz bileşiminin karakterizasyonu yapılır.

*****

KATALİZÖRLERİN GERÇEK HAYATTA

UYGULAMALARI

Katalizör, ilaç ve çevre alanları gibi birçok endüstride hayati bir rol oynar. Kimyasal süreçlerin verimliliğini, seçiciliğini ve ekonomisini artırma yetenekleri, onları çeşitli gerçek hayat uygulamaları için uygun kılar. Katalizörlerin gerçek hayattaki bazı uygulamaları aşağıda belirtilmiştir:

1. Çevre Temizliği
2. Petrokimya Endüstrisi
3. Farmasötik Sentez
4. Gıda Üretimi
5. Sürdürülebilir Enerji

1:Çevre Temizliği

Katalizörler, hava ve sudaki kirleticileri parçalamak için çevre temizleme işlemlerinde kullanılır. Burada katalizörler, zararlı kirleticilerin ‘daha az toksik’ yan ürünlere dönüştürülmesini sağlar.

 2: Petrokimyasal Endüstri

Katalizörler, ham petrolü benzin, dizel vb. gibi değerli ürünlere dönüştürmek için petrol arıtma işlemlerinde gereklidir.

Rafineri katalizörleri, yakıt kalitesini iyileştirmek, verimi artırmak ve ürün spesifikasyonlarını karşılamak için hidrokraking, hidro-işleme, reform ve izomerizasyon reaksiyonlarında kullanılan zeolitler, platin ve nikel katalizörlerini içerir.

 3: Farmasötik Sentez

Farmasötik sentezde katalizörler, farmasötik bileşikler üretmek için verimli ve seçici kimyasal dönüşümlerin sağlanmasında önemli bir rol oynar.Katalizörler, reaksiyon koşullarını optimize etmeye, reaksiyon hızlarını artırmaya ve ürün verimini iyileştirmeye yardımcı olarak güvenli ve etkili ilaçların geliştirilmesine katkıda bulunur.

 4: Gıda Üretimi

Gıda üretiminde katalizörler, verimliliği artırmak, kaliteyi artırmak ve üretim maliyetlerini azaltmak için çeşitli işlemlerde kullanılır. Kullanıldıklarında gıda işleme sırasında reaksiyonları hızlandırırlar, bu da lezzeti, dokuyu ortaya çıkarır ve aynı zamanda besin değerini arttırır.

 5: Sürdürülebilir  Enerji

Katalizörler, üretilecek biyodizel ve hidrojen yakıt hücreleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının dönüştürülmesini sağlar.

Çok sayıda temiz enerji üreterek biyokütlenin biyoyakıtlara dönüşümünü hızlandırırlar.

Katalizörler hayatımızın  çeşitli alanlarının değişmesinde hayati roller oynarlar. Daha temiz hava üretmek, endüstriyel süreçleri iyileştirmek ya da tıp ve yeşil enerjinin ilerlemesi olsun bunların etkisi tartışılmaz. Her noktada katalizörler daha büyük, daha parlak ve daha temiz gelecek nesillerin temelini atıyor.******

Diğer yazılarıma ulaşmak için buraya tıklayabilirsiniz.

Ayrıca sayfadaki diğer yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.