شکل 5- براساس محاسبات رایانه، خوشه پلاتین با 611 اتم (با قطر حدود 3 نانومتر)، بیشترین فعالیت را دارد [3].
3- قابلیت جداسازی از مخلوط واکنش: نانوکاتالیستها، چه همگن و چه ناهمگن، میتوانند بهراحتی از محصولات و باقیمانده اضافی واکنشگرها جدا شوند. همانگونه که ذکر شد، بهدلیل بزرگی نانوذرات در مقایسه با اتمها و مولکولها، این ترکیبات در محیط واکنش قابل حل نبوده و معلق میمانند. بهعنوان مثال، نانوذرات مغناطیسی (Magnetic Nanoparticles) کاربرد بسیار زیادی در حوزه کاتالیست دارند. زمانیکه نانوذرات مغناطیسی بهعنوان کاتالیست در واکنش به کار میروند، در پایان میتوانند توسط اعمال یک میدان مغناطیسی مناسب از محیط جداسازی و بازیابی شوند.
4- گزینشپذیری و بازده بالا: یک نانوکاتالیست، واکنش را در یک مسیر خاص و با گزینش مواد اولیه پیش میبرد. این بدان معنی است که ترکیبات ناخواسته کمتر واکنشهای فرعی را باعث میشوند و از تولید محصولات جانبی در طول فرایند جلوگیری میشود. همچنین نانوکاتالیست با سطح فعال بسیار بالای خود، بازده واکنش را در مسیر اصلی خود افزایش میدهد. بهعبارت دیگر میتوان گفت که حجم بالاتری از مواد اولیه به محصول نهایی تبدیل میشوند. مخلوط نهایی واکنش در این حالت بیشتر متشکل از محصول اصلی است و درصد کمی از محصولات جانبی و واکنشگرهای باقیمانده (آنهایی که در واکنش شرکت نکردهاند) وجود دارد. این فرآیند، روند خالصسازی و استخراج محصول (برای مثال یک دارو) را آسان و کم هزینه میکند.
5- استعداد کلوخهای شدن (Aggregation): نانوذرات در پایدارترین حالت ساختاری خود نیستند، فعالیت سطحی بسیار بالایی داشته و از اینرو مستعد به هم چسبیدن، کلوخهای شدن و در نتیجه از دست دادن ابعاد نانو میباشند. اگر فرآیند کلوخهای شدن برای یک نانوکاتالیست اتفاق بیافتد، فعالیت آن کاهش چشمگیری پیدا میکند و به اصطلاح، غیرفعال میشود.
6- تنوع بالا و قابلیت اصلاح شیمیایی: به علت فعالیت سطحی بالا، گروههای مختلف آلی میتوانند به سطح نانوکاتالیستها متصل شوند. از جهتی فعالیت سطحی بالا باعث میشود تا نانوکاتالیستها با مواد معدنی نیز کامپوزیت تشکیل دهند. اصلاح شیمیایی نانوکاتالیستها با اتصال گروههای مختلف، تنوع زیادی را در عملکرد آنها به وجود میآورد.
7- منبع تهیه: نانوکاتالیستهای طبیعی در طبیعت وجود دارند و در دسترس هستند. از این دسته میتوان به نانوذرات خاک رس (Nanoclay) و نانوزئولیتها (Zeolite) اشاره کرد. دسته دیگر نانوکاتالیستهای سنتزی هستند که توسط بشر تولید میشوند و تنوع زیادی دارند؛ برای مثال نانوذرات اکسید فلزی از این دست هستند.
در جدول زیر، ویژگیهای فوق در قالب مزایا و معایب نانوکاتالیست بررسی شده است:
جدول 2- مزایا و معایب نانوکاتالیست [3-1]

4- روشهای استفاده از نانوکاتالیست فلزیهمانگونه که در بالا ذکر شد، مواد فعال کاتالیستی معمولاً ترکیبات نادر و گرانبهایی هستند. فلزات گروه پلاتین (Platinum Group Metals) که به PGM معروفند، شش فلز اوسمیوم (Os)، ایریدیوم (Ir)، رودیوم (Rh)، روتنیوم (Ru)، پالادیوم (Pd) و پلاتین (Pt) را شامل میشود. فلزات PGM گرانبها بوده و معروفترین عناصر کاتالیستی هستند. از اینرو ارائه روشهایی برای صرفهجویی اقتصادی مناسب همراه با بهبود عملکرد برای چنین کاتالیستهایی ضروری است. روشهای زیر در برگیرنده چنین رویکردهایی هستند:
1- ساختارهای هسته-پوسته (Core-Shell): در یک نانوساختار، این اتمهای سطح هستند که نقش اصلی را بازی میکنند. معمولا اتمهایی که در مرکز یک نانوتوده قرار میگیرند، نقش عملکردی خاصی ندارند. در طراحی یک نانوساختار هسته-پوسته، فلز کاتالیستی گرانبها نقش پوسته را بازی کرده و از یک ماده ارزان همچون سیلیکا در هسته استفاده میشود (مثل SiO2@Pt). همچنین میتوان از نانوذرات مغناطیسی بهعنوان هسته استفاده نمود. در روش هسته-پوسته نه تنها فعالیت کاتالیست تا حد زیادی حفظ میشود، بلکه در مصرف فلزات پرقیمت نیز تا حد زیادی صرفهجویی میگردد.
2- استفاده از مواد متخلخل به عنوان بستر: از مواد متخلخلی مثل سیلیکا یا سیلیکا ژل (آیروژل سیلیکا که از روش سل ژل به دست میآید)، آلومینا (Alumina) و زئولیت (Zeolite) بهعنوان بستر کاتالیستها استفاده میشود. نانوذرات فلزی بهصورت یکنواخت روی بستر متخلخل نشانده میشوند تا سطح فعال افزایش یابد. کاتالیست Pt/SiO2 از این دسته است (شکل 6-الف).
3- نانوذرات دوفلزی (Bimetallic Nanoparticle): در این رویکرد، نانوکاتالیست به صورت آلیاژی از فلز گران به همراه فلز ارزان قیمت مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از موارد پرکاربرد در این زمینه نانوذرات PtFe (آلیاژ آهن و پلاتین) است.
4- نانوخوشههای دوفلزی (Bimetallic Nanoclusters): در نانوخوشههایی دوفلزی، فلز ارزان در مرکز و فلز گران قیمت کاتالیستی بر سطح وجود دارد. برای مثال نانوخوشه با مرکز Ni و سطح Pt یه عنوان یک نانوخوشه دوفلزی مطرح است.
5- استفاده از بستر اکسید فلزی: یکی از معمولترین اکسیدهای فلزی که بهعنوان بستر برای کاتالیستهای گرانبها مورد استفاده قرار میگیرد، دیاکسید تیتانیوم است. کاتالیست Au/TiO2 نمونهای از این دست است. اگر اکسیدهایی از فلزات با ساختار شبکه فلوریت (Fluorite) مثل CeO2، ZrO2 و ThO2 با ناخالصیهایی از جنس اکسید فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی بهبود یابند، بهعنوان بستر کاتالیست مورد استفاده قرار میگیرند. در ساختار فلوریت، آنیونها در گوشههای یک مکعب کوچک داخل یک مکعب بزرگ از کاتیونها هستند که کاتیونها در گوشهها و وسط وجههای مکعب بزرگ قرار دارند.
6- استفاده از گروههای آلی: ترکیبات آلی میتوانند همچون پل، یک نانوذره مغناطیسی را به یک نانوذره کاتالیست نادر متصل کنند. این ساختار ترکیبی (کاتالیست مغناطیسی) میتواند پس از انجام واکنش بهراحتی با اعمال میدان مغناطیسی خارجی جداسازی شود. برای مثال، ترکیب آلی دوپامین (Dopamine) که یک ماده شیمیایی طبیعی در سامانه عصبی است، اتمهای پالادیوم (کاتالیست) را به نانوذره مگنتیت (Fe3O4) متصل میکند (شکل 6-ج).
7- استفاده از ترکیبات کمپلکس (Complex): بسیاری از فلزات در یک عدد اکسایش خاص (بهصورت یون) دارای فعالیت کاتالیستی میباشند. از آن جهت که یونها به تنهایی در محیط واکنش ناپایدار میباشند، برای ایجاد پایداری و یا حفظ عملکرد، آنها را به یک ترکیب کمپلکس تبدیل میکنند. ترکیب کمپلکس، یک ترکیب شیمیایی است که در آن ترکیبات آلی الکتروندهنده به نام لیگاند (Ligand) به مراکز فلزی (دارای کمبود و پذیرنده الکترون) الکترون میدهند. لیگاندها معمولا حاوی اتمهای الکتروندهنده و یا اتمهای دارای زوج الکترون تنها (غیرپیوندی) هستند و از اینرو میتوانند الکترونهای خود را در اختیار یون یا اتمهای فلزی (که دارای کمبود الکترون هستند) قرار دهند و آنها را پایدار کنند. ترکیبات کمپلکس نیز معمولا همچون یون فلزی در محیط واکنش محلول بوده و بسیاری از کاتالیستهای همگن ساختار کمپلکسی دارند.
از جهت دیگر، نانوذرات مغناطیسی میتوانند به اتمهای آزاد لیگاند متصل شوند. از اینرو ترکیبات کمپلکس از یک یون فلزی کاتالیستی میتوانند بر سطح یک نانوذره مغناطیسی قرار گیرند. در این صورت، کاتالیست کمپلکس شده میتواند با اعمال یک میدان مغناطیسی همچون یک کاتالیست ناهمگن در انتهای واکنش جداسازی شود. برای مثال، اتصال کمپلکسی از فلز کاتالیستی و گرانبهای روتنیوم (Ru) توسط اکسیژنهای لیگاند آن به نانوذره فریت (Fe2O3) در شکل 6-ب آورده شده است.
8- جایگزینی فلزات کمبها: مطالعات متعدد در زمینه جایگزینی فلزات گران بها (PGM) با ترکیباتی ارزان تر مثل نانوذرات دی سولفید مولیبدن (MoS2) یا نانوذراتی با زمینه ی آهن در این راستا صورت گرفته است.
9- استفاده از درختسان (Dendrimer): درختسانها، ترکیباتی شبهپلیمری هستند که از یک مرکز منشعب شده و ساختار شاخهای دارند. پرکاربردترین آنها، پلی-آمیدوآمین (PAMAM) است. نانوذرات کاتالیستی میتوانند در داخل حفرههای یک درختسان جای گیرند. این کار معمولا برای حفظ فعالیت و بهصورت همزمان پایداری نانوذرات کاتالیستی در شرایط واکنش صورت میپذیرد. نانوذرات Pt در PAMAM بهعنوان یک نمونه در شکل 6-د آورده شده است.
10- استفاده از نانوساختارهای متفاوت: برای دستیابی به کاتالیست فعالتر می توان از اشکال مختلف نانوساختاری دیگر مثل نانومیلهها، نانولولهها و ... نیز استفاده نمود. نانومیلههای Co3O4 که سطح فعال بالا و پایداری گرمایی و شیمیایی خوبی دارند بهعنوان مثال معرفی میشوند.
شکل 6- برخی از روشهای استفاده از نانوکاتالیست؛ الف: استفاده از نانوذرات در مواد متخلخل و اتصال به ترکیب کمپلکس، ب: اتصال نانوذره مغناطیسی به ترکیب کمپلکس، ج: استفاده از گروه آلی دوپامین به عنوان واسطه اتصال، د: استفاده از درختسان [1].
بحث و نتیجهگیریابعاد نانو، شرایطی عالی برای علم کاتالیست مهیا کرده است. سطح فعال بالا و گزینشپذیری عالی در نانوکاتالیستها باعث افزایش سرعت و بازده واکنش میشود. نانوکاتالیست، محاسن کاتالیستهای همگن (سطح بالا) و ناهمگن (قابلیت جداسازی) را در خود جمع کرده است. ساختارهای نانوکاتالیستی بسیار متنوع هستند؛ همچنین جداسازی و تغییر در عملکرد آنها توسط اصلاح شیمیایی آسان است. هرچند روند تحقیقات در زمینه سازوکار (Mechanism) واکنشهای نانوکاتالیستها، کند و پراکنده بوده است، تحقیقات در سایر جنبههای این علم، به سرعت ادامه دارد و بر جذابیت آن روز به روز افزوده میشود.