بشر از دیرباز برای تأمین انرژی مورد نیاز خود از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کرده است. کاهش در دسترس بودن این منابع انرژی تجدیدناپذیر به دلیل افزایش مصرف و اثرات نامطلوب ناشی از آن بر محیط ‌ز یست، محققان را بر آن داشت تا بر روی جایگزین‌هایی برای آنها از میان انواع منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک تمرکز کنند.

هیدروژن یکی از گزینه‌های امیدوارکننده است که می‌تواند جایگزین تجدیدپذیر و پاک‌تری برای سوخت‌های فسیلی مرسوم باشد و یکی از مواردی که تولید هیدروژن با خلوص بالا را بسیار پر اهمیت می‌کند، نیاز به هیدروژن با خلوص بالا برای مصرف در فرایندهای مختلف صنعتی است. هیدروژن در چندین حوزه صنعتی به مقدار زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هیدروژن در پالایش نفت، سنتز آمونیاک از طریق فرآینــد Haber- Bosch و فرآوری فلزاتی مانند نیکل، تنگستن، مولیبدن، مس، روی، سرب و اورانیوم استفاده می‌شود. هیدروژن همچنین در ساخت کودهای نیتروژن‌دار، هیدرودی‌ سولفوریزاسیون و تصفیه هیدورژنی فرآورده‌های نفتی، هیدروژنه کردن پسماندهای خطرناک و سنتز اتانول و تهیه سوخت‌های مایع مصنوعی و همچنین به ‌عنوان سوخت کوره‌های صنعتی با دمای بالا و موشک‌های فضایی استفاده می‌شود.

فرآیند انتقال آب-گاز (WGS) یکی از قدیمی‌ترین واکنش‌های کاتالیستی ناهمگن است که در صنعت برای تولید هیدروژن با خلوص بالا و کاهش کربن مونوکسید از گاز سنتز به ‌کار می‌رود. 

نانوکاتالیست‌های WGS دما پایین بر پایه مس

اولین نانوکاتالیست WGS دما پایین بر پایه مس در سال ۱۹۶۳ معرفی شد که از CuO و ZnO با نسبت یک به ۲ تشکیل شده بود. کمی بعد مشخص شد که افزودن آلومینا به ساختار این نانوکاتالیست‌ها می‌تواند پایداری گرمایی را افزایش دهد و مقاومت در برابر مسموم شدن نانوکاتالیست را بهبود بخشد.

ازاین‌رو نانوکاتالیست‌های ترکیبی از اکسیدهایZNO، CUO و Al۲O۳  به ‌صورت تجاری و به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. فلز مس موجود در این نانوکاتالیست‌ها فعالیت نانوکاتالیستی و انتخاب‌پذیری بالایی را در دمای پایین از خود نشان می‌داد، بنابراین نانوکاتالیست مناسبی برای واکنش WGS در دمای پایین و در غلظت کم CO بود.

این نانوکاتالیست‌ها در بازه ۱۵۰ تا ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد فعال هستند و مقدار بهینه آن بین ۲۰۰ تا ۲۸۰ درجه سانتی‌گراد است. کاهش CuO و دیگر ترکیبات شیمیایی حاوی مس، یک عامل مهم برای افزایش فعالیت نانوکاتالیستی است.

فناوری نانو برای بهبود نانوکاتالیست‌های WGS

کاتالیست‌های بر پایه مس در کنار مزایایی که دارند، از مشکل غیرفعال شدن برخوردارند و سه دلیل عمده برای این پدیده گزارش شده که به این شرح است:

* تف جوشی گرمایی که منجر به کاهش سطح ویژه نانوکاتالیستی می‌شود.
* مسموم شدن توسط گوگرد که مسدود شدن نواحی فعال نانوکاتالیستی و کاهش سرعت جابه‌جایی واکنش‌دهنده‌هایی که بر روی سطح جذب شده‌اند را در پی دارد.
* مسموم شدن توسط کلر که تف جوشی نانوکاتالیست و در نتیجه درشت شدن ذرات ماده فعال را سرعت می‌بخشد.

ازاین‌رو در کنار استفاده از نانوکاتالیست‌های مرسوم و سنتی مس-روی همواره تلاش‌های فراوانی برای معرفی نانوکاتالیست‌هایی با بازده بالاتر، پایداری و انتخاب‌پذیری بیشتر مورد توجه بوده است.

در این راستا فناوری نانو مسیرهای فراوانی را برای بهبود خواص این دسته از نانوکاتالیست‌ها گشوده است. در زمینه بهبود خواص نانوکاتالیست WGS، هم بر روی ماده فعال نانوکاتالیستی و هم بر روی پایه نانوکاتالیست تمرکز شده است. در مورد تأثیر فناوری نانو بر روی نانوکاتالیست‌ها می‌توان گفت که با کوچک شدن اندازه ذرات در ابعاد نانومتری، سطح ویژه فعال بیشتری جهت فرایندهای نانوکاتالیستی در دسترس قرار می‌گیرد.

با توجه به اهمیت نانوکاتالیست انتقال آب-گاز دما پایین برای کشور و محدودیت‌هایی که در تامین آن وجود دارد، یکی از شرکت‌های دانش‌بنیان این نوع نانوکاتالیست را در کشور بومی‌سازی کرده است و این شرکت با بیش از ۱۵ سال سابقه پژوهش و فناوری، فعالیت خود را در جهت توسعه دانش فنی تولید نانوکاتالیست‌های صنعتی در ایران از سال ۸۹ آغاز کرد و در حال حاضر موفق به تولید طیف گسترده‌ای از نانوکاتالیست‌های مورد استفاده در صنعت فولاد، پالایش و پتروشیمی شده است.

این شرکت علاوه بر نانوکاتالیست انتقال آب-گاز دما پایین، انواع نانوکاتالیست‌های ریفرمینگ احیای مستقیم، انواع نانوکاتالیست ریفرمینگ دارای کاربرد در پالایشگاه‌ها و صنایع پتروشیمی، نانوکاتالیست اتوترمال، نانوکاتالیست انتقال آب-گاز دمابالا، نانوکاتالیست‌های پیش ریفرمینگ، نانوکاتالیست‌های متاناسیون و نانوکاتالیست‌های سنتز متانول را در کارنامه فعالیتی خود به ثبت رسانده است.

فلز فعال نانوکاتالیستی در نانوکاتالیست LTS این شرکت، مس است که پس از احیای نانوکاتالیست در درون راکتور و تبدیل اکسید مس به مس، خاصیت نانوکاتالیستی پیدا می‌کند. دستیابی این شرکت به ریزساختار نانو حاوی ذرات با ابعاد کمتر از ۲۰ نانومتر در این محصول، سطح فعال بیشتری برای محصول و به دنبال آن اکتیویته بیشتری را به همراه داشته است.

بازار داخلی نانوکاتالیست‌ها

اندازه بازار جهانی نانوکاتالیست‌ها در سال ۲۰۲۲ حدود ۲۴.۲ میلیارد دلار برآورد شد که با رشد سالانه ۴.۲ درصد تا سال ۲۰۳۲ به ۳۶.۴ میلیارد دلار افزایش خواهد یافت.

به لحاظ جنس نانو نیز مشاهده می‌شود که نانوکاتالیست‌های فلزی پس از ترکیبات شیمیایی، بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده‌اند.

بازاز نانوکاتالیست‌ها، بازاری رو به رشد است و به طور خاص پیش‌بینی شده است که بازار نانو کاتالیست‌های انتفال آب-گاز بازار رو به رشدی دارد؛ توسعه صنایع مصرف کننده هیدروژن همچون نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع شیمیایی و صنایع فلزی و همچنین توجه فراوان به هیدروژن به عنوان سوخت پاک، دو پیشران اصلی در جهت رشد و توسعه این کاتالیست‌ها محسوب می‌شوند.

همچنین در بازار داخلی نیز به دلیل توسعه صنعت پتروشیمی، این نانوکاتالیست‌ها بازار رو به رشدی دارند. به عنوان مثال با توجه به تعداد واحدهای فعلی و برنامه آتی توسعه و تولید آمونیاک در ایران (مجموعا ۱۴ واحد)، تولید نانوکاتالیست واحد LTS حائز اهمیت فراوان است.

از این رو لازم است تا نیازهای اساسی و استراتژیک این صنعت در داخل کشور تامین شود.

بر اساس آمارها میزان مصرف سالانه نانوکاتالیست انتقال دما پایین یا LTS در کشور ۳۵۰ تن در سال است و با احتساب قیمت خرید این نانوکاتالیست از منابع خارجی که حدود ۲۰ یورو به ازای هر کیلوگرم است، بومی‌سازی تولید این محصول می‌تواند علاوه بر افزودن دانش فنی تولید یک محصول استراتژیک صنعتی به توانمندی‌های کشور، سالیانه از ارزبری معادل ۷ میلیون یورو جلوگیری کند.