کاتالیزورهای سبز؛ آینده پایدار صنایع شیمیایی با اکسیداسیون الکل‌ها
خبرگزاری دانشجو - 1404-07-08 17:57:42
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر در تازه‌ترین پژوهش مروری خود، نگاهی جامع به نوآوری‌های اخیر در زمینه اکسیداسیون الکل‌ها و نقش کاتالیزورهای مختلف در این فرایند داشته است. الکل‌ها در زمره مواد پایه‌ای صنایع شیمیایی قرار دارند که تبدیل آنها به ترکیباتی مانند کتون‌ها، آلدئید‌ها و اسیدها، مسیر تولید بسیاری از محصولات پرکاربرد از دارو و لوازم آرایشی تا پلاستیک و افزودنی‌های غذایی را هموار می‌کند.
آنچه این مطالعه را برجسته می‌سازد، بررسی طیف وسیعی از کاتالیزورها ـ از کمپلکس‌های فلزی معدنی و چارچوب‌های فلزی‌ـ‌آلی گرفته تا نانومواد کربنی و مواد آلی است که می‌توانند با کاهش هزینه، افزایش بازده و به‌ویژه حذف اکسیدان‌های سمی، آینده‌ای پایدارتر برای صنایع شیمیایی رقم بزنند. پژوهشگران در این مرور تحلیلی، علاوه بر مرور کارایی و پایداری کاتالیزورها، مکانیسم‌های اصلی واکنش را نیز تشریح کرده‌اند تا زمینه‌ای برای توسعه فرایند‌های سبز و اقتصادی فراهم شود.
اکسیداسیون الکل‌ها، یکی از بنیادی‌ترین واکنش‌های شیمیایی در صنایع گوناگون، همواره نقشی حیاتی در تولید ترکیبات واسطه‌ای و مواد با ارزش افزوده بالا ایفا کرده است. از پلاستیک‌ها و شوینده‌ها گرفته تا رنگ‌ها، مواد دارویی و افزودنی‌های غذایی، همه به‌واسطه همین واکنش‌های کلیدی شکل می‌گیرند. به‌عنوان نمونه، اکسیداسیون بنزیل‌الکل به بنزآلدئید، یکی از واکنش‌های استراتژیک است، زیرا بنزآلدئید در صنایع نساجی، کشاورزی، داروسازی و لوازم آرایشی جایگاهی ویژه دارد.
با وجود اهمیت بالای این واکنش‌ها، روش‌های سنتی اکسیداسیون الکل‌ها مشکلات فراوانی به همراه داشته‌اند. استفاده از اکسیدان‌های پرهزینه و سمی همچون برم، کروم و پرمنگنات نه‌تنها سبب آلودگی زیست‌محیطی می‌شود، بلکه نیازمند شرایط سخت آزمایشگاهی شامل دمای بالا، فشار زیاد و زمان طولانی نیز هست. همین محدودیت‌ها ضرورت یافتن راهکار‌های سبز و کارآمدتر را برجسته کرده است.
در این راستا، پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر در یک مطالعه مروری جامع، تازه‌ترین دستاورد‌ها در زمینه استفاده از کاتالیزورهای نوین برای اکسیداسیون الکل‌ها را بررسی کرده‌اند. این پژوهش مجموعه‌ای گسترده از مواد کاتالیزوری را پوشش می‌دهد؛ موادی که هر یک با ویژگی‌های ساختاری و شیمیایی خاص خود، می‌توانند بازده، انتخاب‌پذیری و پایداری واکنش را ارتقا دهند.
یکی از مهم‌ترین گروه‌های مورد بررسی، کمپلکس‌های فلزی معدنی هستند. این ترکیبات به‌دلیل قابلیت بالای تنظیم ساختار الکترونیکی و فضایی، به‌عنوان کاتالیزورهای متنوعی در واکنش‌های شیمیایی معرفی شده‌اند. به‌ویژه کمپلکس‌های منگنز که با شبیه‌سازی عملکرد آنزیم‌های طبیعی، توانسته‌اند کارایی بالایی در اکسیداسیون الکل‌ها نشان دهند.
در کنار این مواد، چارچوب‌های فلزی‌ـ‌آلی یا همان MOFها نیز جایگاهی برجسته پیدا کرده‌اند. این ساختار‌های متخلخل با مساحت سطحی بالا و قابلیت تنظیم پیوندها، امکان طراحی دقیق برای واکنش‌های انتخابی را فراهم می‌کنند. ترکیب MOFها با سایر نیمه‌رسانا‌ها یا فلزات می‌تواند به ایجاد هتروساختار‌هایی منجر شود که بازده جداسازی بار و کارایی نوری آنها را افزایش می‌دهد.
زیولیت‌ها به‌عنوان دیگر مواد مورد توجه، به‌دلیل ساختار بلوری منظم و میکروحفره‌های همگن، توانایی ویژه‌ای در کاتالیز واکنش‌های انتخابی دارند. افزودن فلزات واسطه مانند نقره، مس یا تیتانیوم به ساختار زیولیت، موجب ارتقای چشمگیر کارایی آنها در اکسیداسیون الکل‌ها شده است.
در حوزه اکسید‌های فلزی، ترکیباتی مانند TiO₂ و Nb₂O₅ به همراه ساختار‌های پرُوسکایت و اسپینل، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. پرُوسکایت‌ها به‌دلیل پایداری حرارتی و قابلیت تغییر ترکیب، در واکنش‌های اکسیداسیون عملکردی چشمگیر دارند. اسپینل‌ها نیز به واسطه پایداری شیمیایی و قابلیت جایگزینی فلزات مختلف در ساختار خود، به‌عنوان جایگزینی کم‌هزینه و سازگار با محیط زیست برای فلزات گرانبها مطرح هستند.
در سال‌های اخیر، مواد کربنی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و نیترید کربن گرافیتی (g-C ۳ N ۴) نیز وارد عرصه شده‌اند. این مواد با قابلیت دوپینگ (افزودن اتم‌های نیتروژن، فسفر یا گوگرد) توانسته‌اند فعالیت کاتالیزوری خود را به‌طور قابل‌توجهی ارتقا دهند. برای نمونه، گرافن نیتروژن‌ـ‌دوپ‌شده، در اکسیداسیون بنزیل‌الکل کارایی بیشتری نسبت به نمونه‌های بدون دوپینگ از خود نشان داده است.
از سوی دیگر، نمک‌های اکسوآمونیوم و کاتالیزورهای آلی نیز به‌عنوان جایگزین‌های غیر فلزی معرفی شده‌اند که می‌توانند با پایداری و قابلیت بازیافت بالا، در مسیر فرآیند‌های سبز قرار گیرند. به‌ویژه ترکیباتی مانند TEMPO که در واکنش با نمک‌های مس می‌توانند فرآیند اکسیداسیون را در شرایط ملایم و بدون تولید محصولات جانبی سمی انجام دهند.
در کنار معرفی این گروه‌های متنوع، پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر به مکانیسم‌های واکنش نیز توجه ویژه داشته‌اند. شناخت گونه‌های فعال اکسیدکننده و درک فرآیند‌های سطحی به‌عنوان کلید بهینه‌سازی عملکرد کاتالیزورها مطرح شده است. بررسی اثر عوامل مختلف از جمله دما، حلال، دوز کاتالیزور و نوع اکسیدان نیز بخش مهمی از این مطالعه را تشکیل می‌دهد.
اهمیت این پژوهش در آن است که نشان می‌دهد می‌توان با بهره‌گیری از کاتالیزورهای نوین، واکنش‌های شیمیایی حیاتی را با هزینه کمتر، کارایی بیشتر و اثرات زیست‌محیطی ناچیز انجام داد. این مسیر نه‌تنها به تولید پایدارتر مواد شیمیایی منجر می‌شود، بلکه به کاهش وابستگی به مواد خطرناک و آلاینده نیز کمک خواهد کرد.
در نهایت، جمع‌بندی این مطالعه مروری حاکی از آن است که آینده صنایع شیمیایی در گرو توسعه کاتالیزورهای سبز، پایدار و قابل بازیافت است.
