مواد متخلخل:

اهمیت مواد متخلخل از زمان باستان، زمانی که از ذغال چوب متخلخل برای خواص دارویی آن استفاده می­شد شناخته شده بود، علاقمندان به حفاظت از محیط زیست و صرفه­‌جویی در انرژی، تحقیقات روی مواد متخلخل را که کاربردهای متعددی مانند کاتالیزور، جداسازی، عایق­‌بندی، حسگرها، کروماتوگرافی و غیره دارند را احیا کرده است.

 به طور کلی مواد متخلخل به موادی گفته می­شود که در ساختارهای خود از حفرات و منافذی با شکل و اندازه­های گوناگونی ساخته شده­اند. اتحایه بین المللی شیمی محض و کاربردی( IUPAC )  مواد متخلخل را با توجه به اندازه­ی حفرات خود به سه دسته کلی تقسیم­بندی کرده است: میکروحفرات با اندازه حفراتی کوچک­تر از 2نانومتر و مزوحفرات با اندازه حفراتی بین50-2 نانومتر و ماکروحفرات با اندازه حفراتی بزرگ­تر از50 نانومتر، مواد متخلخل باتوجه به ویژگی‌­های منحصر بفردشان از جمله خواص اسیدی، قلیایی، الکتریکی و نیمه الکتریکی با منافذی در اندازه‌­های گوناگون و قابل تنظیم و سطح مناسب با مساحت بالا و همچنین به علت داشتن ساختارهایی در مقیاس نانو اهمیت بالایی در علوم و فناوری پیدا کرده‌­اند.

مواد متخلخل و کارایی بالای آن­ها به علت ویژگی­های حفرات و منافذشان به ما در ساخت و طراحی کاتالیزورهایی با انتخاب پذیری بالا کمک بسیاری کرده است از این طریق می­توان به کاتالیزورهای سازگار با محیط زیست دست پیدا کرد که از وقوع تولید محصولات جانبی ناخواسته و یا مواد سمی و زائد جلوگیری می‌­کند.

انگیزه مهم و اساسی برای علاقه و کاربرد ساختارهای متخلخل توانایی آن­‌ها در ارتقاء حالت ماده است که این عملکرد نسبی آن­ها به شدت به ساختار منافذ داخلی هر ماده وابسته است. برای درک بهتر یک فرآیند فیزیکی خاص که در محیط متخلخل اتفاق می­افتد باید ویژگی‌­های مختلف آن­ها از جمله هندسه داخلی، اندازه، اتصال و غیره مشخص شود عواملی مانند توپوگرافی منافذ، ابعاد فراکتال، شیمی سطح و توزیع اندازه منافذ در زمینه جذب تاثیرگذارند که مهم­ترین آن­ها توزیع اندازه منافذ است زیرا اطلاعات اولیه‌­ای در مورد یک ماده متخلخل می­دهد. توزیع اندازه منافذ بر خواص فیزیکی جاذب و جذب فیزیکی آن تاثیر می­گذارد. برای تاثیرگذاری در صنعت باید مواد متخلخل مقیاس‌­پذیر باشند و دارای معیارهای عملکردی همچون پایداری طولانی مدت، سینتیک جذب، انتخاب پذیری و پردازش­‌پذیری را برآورده کنند.

چارچوب­‌های متخلخل مزایای زیادی نسبت به کاتالیزورهای همگن و ناهمگن و مواد غیرمتخلخل از جمله سهولت بازیابی و انتخاب شکل و اندازه دارند.

خواص فیزیکی مواد به شدت تحت تاثیر اندازه، تعداد و شکل منافذ و هم­چنین به هم­ پیوستگی منافذ است. با این حال اندازه منافذ، بیش­ترین و گسترده­‌ترین تاثیر را روی خواص جامدات در مقایسه با سایر پارامترها دارد. بنابراین استفاده از این پارامتر به عنوان وسیله­ای برای توصیف و مقایسه جامدات متخلخل مختلف، مفید و راحت است. زئولیت­ها، چارچوب­‌های آلی‌­فلزی (MOFs) ، چارچوب­‌های آلی کوالانسی (COFs) و پلیمرهای آلی متخلخل، از جمله مواد متخلخل هستند. زئولیت­های متخلخل بیش­ترین سهم را در جامع داشته­‌اند هم­چنین زئولیت‌­ها بیش­ترین کاربرد را در کاتالیزورهای صنعتی به ویژه در کاتالیزور ناهمگن دارند.

ویژگی­‌های مختلف مواد متخلخل مانند معماری منفذ(اندازه، شکل، کاربرد)، نحوه توزیع منافذ، همراه با مشخصات شیمیایی دیواره منفذ، ویژگی­‌ها و کاربردهای میکروپور به دلیل دارا بودن ویژگی‌­های مطلوبی همانند، سطح ویژه بالا، اندازه حفره قابل تطبیق، آب­دوستی، اسیدیته و پایداری شیمیایی و حرارتی به طور گسترده به عنوان کاتالیزورهای اسیدی کاربرد دارند. با این وجود یکی از اشکالات عمده آن­‌ها اندازه منافذ کوچکشان می­‌باشد و در واکنش­‌هایی که مولکلول­های بزرگ(کراکینگ هیدروکربن­های بزرگ) حضور دارند، کاربردی ندارند. زئولیت­ها مشکلاتی از قبیل انتقال جرم، نفوذ واکنشگرها و محصولات به داخل و خارج محل­های فعال را دارند. در حالی که مولکول­‌های مزوپور با قطر منافذ بیشتر محدودیت کمتری در مقایسه با زئولیت­‌ها دارند. از طرفی مزوپورها دارای معایبی همچون اسیدیته­ و پایداری گرمایی پایین هستند. از جمله تلاش­‌هایی که جهت غلبه بر این ضعف صورت گرفته است تهیه­‌ی کاتالیزورهایی با خواص بهینه است که دارای ویژگی‌­های مواد میکروپور و مزوپور به طور همزمان هستند.  

زئولیت چیست؟

زئولیت یک ماده‌ی طبیعی و مصنوعی شگفت‌انگیز با ساختاری کریستالی و منحصر‌به‌فرد است که زیر میکروسکوپ شبیه به یک اسفنج دیده می‌شود. این ساختار به زئولیت توانایی فوق‌العاده‌ای برای جذب، تصفیه و تبادل مولکول‌ها می‌دهد. زئولیت‌ها به‌صورت طبیعی در سنگ‌های آتشفشانی یافت می‌شوند و همچنین در آزمایشگاه‌ها تولید می‌شوند. به دلیل توانایی جدا کردن و به دام انداختن مولکول‌های خاص در حالی که به مولکول‌های دیگر اجازه عبور می‌دهند، زئولیت‌ها به‌عنوان "غربال‌های مولکولی" شناخته می‌شوند.