Heterogeeninen katalyysi

Heterogeeninen katalyysi on katalyysityyppi, jossa reaktion katalyytti on eri faasissa eli olomuodossa kuin reagoivat aineet. Tämä erottaa heterogeenisen katalyysin homogeenisesta katalyysistä, jossa katalyytti ja reagoivat aineet ovat puolestaan samassa faasissa. Heterogeeninen katalyysi tapahtuu katalyytin pinnalla. Yleensä heterogeenisessa katalyysissä kaasumaiset aineet reagoivat kiinteän katalyytin pinnassa. Tässä tapauksessa syntyy reaktiosarja, jossa tapahtuu molekulaarinen adsorptio, reaktio ja desorptio katalyytin pinnalla.
Teollisuudessa suositaan heterogeenista katalyysiä, koska siinä katalyytti on helppo erottaa lopputuotteista. Heterogeeninen katalyysi mahdollistaa lisäksi nopean ja ison mittakaavan tuotannon. Esimerkiksi kemikaali- ja energiateollisuus ovatkin voimakkaasti riippuvaisia heterogeenisesta katalyysista.

Adsorptio

Heterogeenisessä katalyysissä tapahtuu adsorptiota. Adsorptiossa kaasu- tai nestemolekyylit toimivat adsorbaatteina, jotka sitoutuvat adsorptioalustana toimivaan kiinteään katalyyttiin; kemiallinen reaktio katalysoituu adsorbaattien kiinnittyessä adsorptioalustaan. Adsorptio jaetaan fysisorptioon ja kemisorptioon.
Fysisorptiossa adsorbaattimolekyylit muodostavat sidoksia Van der Waalsin voimilla adsorptioalustan pinta-atomien kanssa. Nämä Van der Waalsin voimilla muodostuneet sidokset ovat heikkoja sidoksia, esimerkiksi dipoli-dipolisidoksia tai dispersiovoimia. Fysisorptioon vaadittava energiamäärä (adsorptiolämpö) on alle 20 kJ/mol. Fysisorptio on kaikista adsorbtion muodoista yleisin, eikä se esimerkiksi vaikuta adsorbtioalustan muotoon. Fysisorptiota tapahtuu kaikille pinnoille lämpötila- ja paineolosuhteiden ollessa sopivia. Fysisorptio tapahtuu useimmiten ennen kemisorptiota.
Kemisorptiossa adsorbaattien ja adsorbtioalustan molekyylien/atomien välille muodostuu vahvoja sidoksia, kuten esimerkiksi kovalenttisia sidoksia. Kemisorptiossa muodostuu myös hybridisoituneita orbitaaleja, sillä molekyylit/atomit adsorbaattien ja adsorptioalustan välillä jakavat elektronejaan. Kemisorption energiat ovat suuria n. 80-800 kJ/mol. Kemisorptiossa aktivoitumisenergia voi siis lähestyä nollaa, vaikkakin usein reaktio vaatii aktivoitumisenergiaa tapahtuakseen. Fysisorptiosta poiketen kemisorptiota voi tapahtua vain tietyille pinnoille. Näiden pintojen tulee lisäksi olla myös puhtaita.

Heterogeenisen katalyytin toiminta

Katalyyttien pinnalla on kohtia, johon adsorptoituvat atomit/molekyylit voivat kiinnittyä. Kemialliset reaktiot tapahtuvat näissä kohdissa ja niitä kutsutaankin siksi katalyytin aktiivisiksi kohdiksi. Kun reaktio on tapahtunut, atomit/molekyylit irtoavat katalyytistä eli tapahtuu adsorption käänteisreaktio desorptio.
Heterogeeninen katalyytti levitetään usein toisen tukevan materiaalin pinnalle, jolloin katalyytin vaikutuspinta-alaa saadaan kasvatettua ja aktiivisia kohtia lisättyä. Tämä myös lisää reaktion stabiilisuutta. Materiaalit, joiden päälle katalyytit levitetään ovat yleensä inerttejä, reagoimattomia aineita, joilla on korkeat sulamispisteet. Yleisesti käytettyjä materiaaleja ovat huokoiset aineet esimerkiksi piidioksidi (SiO2) ja zeoliitti.
Pinnalle voidaan lisätä myös yhdisteitä, jotka aktivoivat katalyyttiä. Näitä yhdisteitä kutsutaan promoottoreiksi. Esimerkiksi ammoniakin valmistuksessa käytetyssä Haber-Bosch-menetelmässä ammoniakin valmistuksessa alumiinioksidia lisäämällä saadaan aktivoitua katalyytin toiminta.
Katalyytin deaktivointi tarkoittaa katalyytin toiminnan heikentämistä tai estämistä. Katalyytin toimintaa heikentäviä yhdisteitä voi esimerkiksi kemisorptoitua katalyytin pintaan, jolloin aktiivisten alueiden määrä vähenee. Esimerkki tällaisestä yhdisteestä on rikki, joka metanolin tuotannossa heikentää kupari- tai sinkkikatalyytin toimintaa.

Käyttö teollisuudessa

Heterogeenistä katalyysia hyödynnetään lukuisissa teollisuuden prosesseissa. Heterogeenisen katalyysin suurin hyöty on se, että katalyytti voidaan helposti erottaa reagensseista ja tuotteista. Näin mahdollisesti kalliit katalyytit saadaan hyvin talteen seuraavia katalysoitavia reaktioita varten, mikä on tärkeätä teollisuudessa. Ongelmana heterogeenisessä katalyysissä on kuitenkin se, että jos kaikki katalyytin aktiiviset kohdat täytetään, reaktio ei voi jatkua ennen kuin tuotteet irtoavat katalyytistä.
Edellytyksenä heterogeenisen katalyytin käyttämiselle teollisuudessa on, että sen on nopeutettava reaktiota taloudellisesti järkevissä olosuhteissa kuten esimerkiksi mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa ja paineessa. Katalyytin on myös oltava pitkäaikainen ja kestävä, eikä se saa aktivoida haitallisia sivureaktioita.
Mahdollisesti tunnetuin heterogeenistä katalyysia hyödyntävä teollisuuden prosessi on Haber-Bosch-menetelmä, jossa katalyyttinä toimii kiinteä rauta. Reagoivat aineet ovat kaasumaiset vety ja typpi, joista muodostuu ammoniakkia. Synteesikaasun tuotannossa katalyyttinä käytetään nikkeliä, jolloin metaanista ja vesihöyrystä muodostuu hiilimonoksidia ja vetykaasua. Heterogeenistä katalyysiä käytetään myös hyväksi rikkihapon tuotannossa vaiheessa, jossa rikkidioksidista muodostuu rikkitrioksidia sen reagoidessa hapen kanssa. Heterogeenistä katalyysiä käytetään myös esimerkiksi polymeroinnissa, alkyloinnissa ja dehydrauksessa.