Κατάλυση

Το «Καταλύτης» ανακατευθύνει εδώ. Για τη συσκευή μείωσης των καυσαερίων, δείτε: Καταλυτικός μετατροπέας.

Καταλύτης ονομάζεται μία χημική ουσία που αλλάζει τη ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης χωρίς όμως να μεταβάλλεται η ίδια. Οι καταλύτες που παράγουν οι ζωντανοί οργανισμοί είναι πρωτεΐνες και ονομάζονται ένζυμα.

Το σύστημα εξάτμισης πολλών νέου τύπου αυτοκινήτων είναι εφοδιασμένο με καταλύτη. Εν προκειμένω ο καταλύτης αυτός επιταχύνει χημική αντίδραση κατά την οποία επικίνδυνα αέρια μετατρέπονται σε λιγότερο επικίνδυνα.

• Η αλλαγή ταχύτητας χημικής αντίδρασης με χρησιμοποίηση καταλύτη ονομάζεται χημική κατάλυση. Επίσης η ουσία που μπορεί να βελτιώσει ένα καταλύτη ονομάζεται Προωθητής καταλύτου ή προωθητής καταλύτης.

Η κατάλυση είναι ζωτικής σημασίας στις βιοχημικές και βιομηχανικές διαδικασίες, γιατί μπορούν να αυξήσουν την αποδοτικότητα του χημικού συστήματος ίσως μέχρι εκατό φορές.

Αρχή λειτουργίας

Η ενέργεια υποθετικού χημικού συστήματος συναρτήσει της εξέλιξης της αντίδρασης. Η χημική αντίδραση είναι η Α+Β->ΑΒ και Κ ο καταλύτης. Παρατηρείστε τα δύο ενεργειακά μέγιστα.

Κάθε χημική αντίδραση είναι απλή ή σύνθετη. Στην απλή χημική αντίδραση συμμετέχουν μόνο τα προϊόντα και αντιδρώντα της αντίδρασης, ενώ στη σύνθετη συμμετέχουν και άλλες ουσίες. Μια σύνθετη χημική αντίδραση μπορεί να αναλυθεί σε επιμέρους διαδοχικές απλές αντιδράσεις. Κάθε απλή αντίδραση χαρακτηρίζεται υπό συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες από μία ταχύτητα. Η ταχύτητα μιας σύνθετης αντίδρασης ισούται πρακτικά με την ταχύτητα της πιο αργής απλής αντίδραση που συμμετέχει, όπως η ταχύτητα μιας σκυταλοδρομίας ισούται με την ταχύτητα του πιο αργού σκυταλοδρόμου.

Ο καταλύτης αντικαθιστά τις απλές αντιδράσεις που συμμετέχουν σε μια σύνθετη αντίδραση με άλλες απλές αντιδράσεις, επηρεάζοντας την ταχύτητά τους. Ο χημικός δρόμος που θα ακολουθηθεί από τα αντιδρώντα (αυτός με τον καταλύτη και αυτός χωρίς τον καταλύτη) εξαρτάται από την διαφορά ενθαλπίας στις απλές αντιδράσεις, ο δρόμος που χαρακτηρίζεται από το χαμηλότερο ενεργειακό μέγιστο είναι αυτή που ακολουθείται αυθόρμητα. Με άλλα λόγια, ο καταλύτης επιτρέπει να διεξαχθεί η σύνθετη αντίδραση με λιγότερη απορρόφηση ενέργειας από το περιβάλλον. Συνήθως ο καταλύτης επιταχύνει την αντίδραση.

Είδη καταλυτικών επιφανειών

Χαρακτηρίζοντας τις καταλυτικές επιφάνειες με βάση τη φυσική τους δομή είναι δυνατόν να κάνουμε τρεις διακρίσεις. Έτσι οι καταλυτικές επιφάνειες διακρίνονται σε:

• Μη πορώδη στερεά, όπως η επιφάνεια ενός μεταλλικού φύλλου.
• Πορώδη στερεά, στα οποία καταλυτικά συμμετέχει και η εσωτερική επιφάνεια των τοιχωμάτων και των πυθμένων των πόρων (internal surface) εκτός της εξωτερικής τους επιφάνειας (external surface ή geometrical surface). Παράδειγμα πορώδους καταλύτη είναι ο γαιάνθρακας. Εδώ θα ορίσουμε ακόμα ένα μέγεθος, την ειδική επιφάνεια (specific surface area) η οποία ισούται με τη συνολική επιφάνεια του καταλύτη ανά μονάδα βάρους καταλύτη. Καταλαβαίνουμε επομένως πως όσο πιο πορώδης είναι ένας καταλύτης τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική επιφάνεια του.
• Στερεά παρασκευαζόμενα με διασπορά μιας καταλυτικά ενεργού φάσης σε ένα πορώδες υλικό, το οποίο ονομάζεται υπόστρωμα (support) ή φορέας (carrier). Ο φορέας μπορεί να είναι καταλυτικά αδρανής μπορεί όμως και όχι. Στη δεύτερη αυτή περίπτωση αυτό γίνεται προκειμένου το σύνολο του καταλύτη να επιδρά πάνω σε δύο διαφορετικά στάδια της αντίδρασης ταυτόχρονα.

Στηριζόμενοι ή μη καταλύτες

Όταν το υπόστρωμα είναι καταλυτικά αδρανές διαλέγεται έτσι ώστε να παρουσιάζει μεγάλη ειδική επιφάνεια, μεγάλη μηχανική αντοχή, θερμική σταθερότητα, κατάλληλο μέγεθος τεμαχιδίων (pellets), σχήμκα και κατανομή των πόρων. Αναφέρουμε μερικούς από τους πιο σημαντικούς φορείς: α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ενεργός άνθρακας (activated carbon) ή ζεόλιθος (zeolite). Οι καταλύτες αυτοί ονομάζονται στηριζόμενοι καταλύτες ( supported catalysts ), ενώ εκείνοι οι οποίοι ανήκουν στις δύο πρώτες προαναφερθείσες κατηγορίες, χωρίς δηλαδή να φέρουν φορέα, ονομάζονται μη στηριζόμενοι καταλύτες (non-supported).

Στους στηριζόμενους καταλύτες η ενεργός φάση μπορεί να είναι συνεχής σε μικροσκοπικό επίπεδο ή ασυνεχής. Όπως αναφέραμε και παραπάνω η αντίδραση λαμβάνει χώρα πάνω στη διεπιφάνεια καταλύτη και ρευστής φάσης. Από αυτό συνεπάγεται ότι το ποσοστό των επιφανειακών ατόμων ως προς το συνολικό αριθμό ατόμων παίζει σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματικότητα του καταλύτη, δεδομένου του ότι αν αυτό είναι πολύ μικρό τότε και η ειδική επιφάνεια του καταλύτη είναι μικρή. Αύξηση της ειδικής επιφάνειας μπορούμε να επιτύχουμε με τη μείωση του μεγέθους των καταλυτικών σωματιδίων.

Διασπορά ενεργού φάσης

Η διασπορά της ενεργού φάσης σε κάποιο φορέα είναι πολύ σημαντική αφού βελτιώνει τον καταλύτη κατά διάφορους τρόπους:

• Αυξάνει την επιφάνεια της ενεργού φάσης για τον ίδιο όγκο κάτι το οποίο επιδιώκεται με σκοπό τη μείωση του κατασκευαστικού κόστους του καταλύτη.
• Αυξάνει το χρόνο ζωής του καταλύτη καθώς αποφεύγεται η τοπική υπερθέρμανση ορισμένων σημείων της καταλυτικής επιφάνειας κι επομένως μειώνεται το φαινόμενο της συρρίκνωσης (shrinkage) και της σύντηξης (sintering). Και τα δύο οδηγούν στην μείωση της ειδικής επιφάνειας του καταλύτη. Η πρώτη έγκειται στο μετασχηματισμό (κλείσιμο πόρων κλπ) που οδηγούν στη μείωση της ειδικής επιφάνειας ενώ η δεύτερη στη μετακίνηση σε υψηλή θερμοκρασία στερεού υλικού με συγκόλληση πολλών μικρών κόκκων ενεργού φάσης (συνήθως μεγέθους της τάξεως των λίγων nm ) για τη δημιουργία μεγαλύτερων.
• Αυξάνει τη μηχανική αντοχή και τέλος την αντίσταση στα δηλητήρια καταλυτών.

Βάση των παραπάνω κατά την κατασκευή ενός καταλύτη χρησιμοποιούνται σε αρχικό στάδιο πολύ μικρά τεμάχια ίδιου μεγέθους (πρωτοταγής δομή, στην οποία και οφείλεται η μεγάλη ειδική επιφάνεια) τα οποία ομαδοποιούνται σε μεγαλύτερα συσσωματώματα ίδιου επίσης μεγέθους (δευτερογενής δομή, μέσα από την οποία γίνεται πολύ εύκολα η μεταφορά μάζας των αντιδρώντων ή των προϊόντων).

Επίσης, φορείς που χρησιμοποιούνται ευρύτατα είναι οι μονολιθικοί (monolithic supports) οι οποίοι αποτελούνται από ένα ελαφρά πορώδες υλικό υψηλής μηχανικής αντοχής (όπως το α-Al₂O₃), το οποίο διαθέτει κανάλια καθορισμένης διαμόρφωσης με τα τοιχώματα τους να καλύπτονται από ένα στρώμα τεμαχιδίων φορέα, στα οποία έχει εναποτεθεί η ενεργός φάση.

Η κατανομή της ενεργού φάσης στα μικροτεμαχίδια ονομάζεται μικροκατανομή (microdistribution ή repartition) ενώ η κατανομή της ενεργού φάσης στα τεμαχίδια τα οποία συντίθενται από μικροτεμαχίδια ονομάζεται μακροκατανομή (macrodistribution). Συνήθως, αυτές οι δύο κατανομές δεν είναι επιθυμητό να είναι ομοιόμορφες και καθορίζονται ανάλογα με τις απαιτήσεις εκλεκτικότητας, την παρουσία δηλητηρίων κτλ...