Enkelte atomer bryder carbons stærkeste binding

Et internationalt hold af forskere, herunder forskere ved Yale University og US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, har udviklet en ny katalysator til at bryde kulstof-fluor-bindinger, en af ​​de stærkeste kemiske bindinger kendt. Opdagelsen, offentliggjort den 10. september i ACS katalyse , er et gennembrud for indsatsen inden for miljøsanering og kemisk syntese.

"Vi havde til formål at udvikle en teknologi, der kunne nedbryde polyfluoralkylstoffer (PFAS), et af de mest udfordrende forureningsoprydningsproblemer i dag, " sagde Jaehong Kim, en professor i afdelingen for kemi- og miljøteknik ved Yale University. "PFAS er bredt opdaget over hele verden, fra arktisk biota til menneskekroppen, og koncentrationer i forurenet grundvand overstiger i mange områder markant den lovmæssige grænse. I øjeblikket, der er ingen energieffektive metoder til at ødelægge disse forurenende stoffer. Vores samarbejde med Brookhaven Lab har til formål at løse dette problem ved at drage fordel af de unikke egenskaber ved enkeltatomkatalysatorer."

Syntetisere mindre, mere effektive katalysatorer

For at optimere effektiviteten af ​​katalysatorer - stoffer, der initierer eller fremskynder kemiske reaktioner - opdeler videnskabsmænd dem i mindre stykker, helt ned til nanomaterialer. Og for nylig, videnskabsmænd er begyndt at nedbryde katalysatorer endnu mere, ud over nanoskalaen og ind i enkelte atomer.

"Den eneste del af en katalysator, der er reaktiv, er dens overflade, " sagde Brookhaven-videnskabsmanden Eli Stavitski. "Så, hvis du brækker en katalysator ned i små stykker, du øger dens overfladeareal og blotlægger flere af katalysatorens reaktive egenskaber. Men også, når du nedbryder katalysatorer under 10 nanometer, deres elektroniske egenskaber ændrer sig dramatisk. De bliver pludselig meget reaktive. Ultimativt, du vil gå til næste trin, og nedbryde katalysatorer til individuelle atomer."

Udfordringen er, at individuelle atomer ikke opfører sig på samme måde som større katalysatorer; de kan ikke lide at stå alene, og de kan forårsage uønskede bivirkninger. For at bruge enkeltatomkatalysatorer effektivt, videnskabsmænd skal identificere den perfekte kombination af en stærk, reaktivt metal og en stabil, komplementært miljø.

Nu, forskere har identificeret enkelte atomer af platin som en effektiv katalysator til at bryde kulstof-fluor-bindinger. Platin er et særligt stærkt metal, og det er i stand til at spalte brintgas i individuelle brintatomer - et vigtigt skridt mod at bryde kulstof-fluorbindingen.

"Vores team på Yale udviklede for nylig en let skalerbar metode til at syntetisere enkeltatom-katalysatorer i to enkle trin, " sagde Kim. "Først, vi binder metaller til forankringssteder på et støttemateriale, så fotoreducerer vi metallerne til enkelte atomer under mild UV-C-bestråling. Ved at bruge denne metode, vores gruppe har syntetiseret en række enkeltatoms katalysatorer, der involverer forskellige metaller (platin, palladium, og kobolt) og understøtninger (siliciumcarbid, kulnitrid, og titaniumdioxid) til adskillige katalytiske reaktioner. I dette arbejde, Vi fandt, at enkelte platinatomer påfyldt siliciumcarbid var slående effektive til at katalysere carbon-fluoridbindingsspaltning og nedbryde forurenende stoffer som PFAS."

Billeddannelse af enkelte atomer

For at visualisere deres nye katalysator og vurdere dens ydeevne, forskerne kom til to DOE Office of Science-brugerfaciliteter på Brookhaven Lab - Center for Functional Nanomaterials (CFN) og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Værktøjerne i verdensklasse på hver facilitet gav gratis teknikker til at se denne utroligt lille katalysator.

Hos CFN, the scientists used an advanced transmission electron microscope (TEM) to get a close-up view of the platinum atoms. By scanning an electron probe over the sample, the scientists were able to visualize discrete platinum atoms on the silicon carbide support.

"This research offers a golden standard for showing how multimodal characterization can contribute to the understanding of fundamental reaction mechanisms of single atom catalysts, " said Huolin Xin, a former scientific staff member at CFN and now a professor at University of California.

Compared to the smaller, more focused view of the catalyst that CFN could provide, NSLS-II enabled the researchers to get a broader view of the catalyst and its surrounding environment.

"We have a technique at NSLS-II, called X-ray absorption spectroscopy, that is uniquely sensitive to the state of the catalyst and the environment surrounding it, " said Stavitski, who is also a beamline scientist at NSLS-II's Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamline, where the research was conducted.

By shining NSLS-II's ultrabright X-ray light onto the catalyst and using ISS to see how the light interacted with the sample and its environment, the scientists were able to "see" how the single-atom catalyst was built.

The research at ISS was part of NSLS-II's strategic partnership with Yale University, and illustrates how universities and industry can work with Brookhaven Lab to solve their research challenges.

"We are pursuing a number of strategic partnerships to strengthen our connections with nearby institutions and to leverage the tremendous intellectual power and expertise in the northeastern U.S., " said Qun Shen, the NSLS-II Deputy Director for Science. "Yale faculty groups are an excellent example in this regard. We are happy to see this is starting to bear fruit."