Team afslører katalysator, der kan bryde problematiske C-F-bindinger

Rice University ingeniører har skabt en lysdrevet katalysator, der kan bryde de stærke kemiske bindinger i fluorcarboner, en gruppe syntetiske materialer, der omfatter persistente miljøforurenende stoffer.

I en undersøgelse offentliggjort i denne måned i Naturkatalyse , Rice nanophotonics pioner Naomi Halas og samarbejdspartnere ved University of California, Santa Barbara (UCSB) og Princeton University viste, at små kugler af aluminium med pletter af palladium kunne bryde kulstof-fluor (C-F) bindinger via en katalytisk proces kendt som hydrodefluorering, hvor et fluoratom er erstattet af et hydrogenatom.

Styrken og stabiliteten af ​​C-F-bindinger ligger bag nogle af det 20. århundredes mest genkendelige kemiske mærker, inklusive teflon, Freon og Scotchgard. Men styrken af ​​disse bindinger kan være problematisk, når fluorcarboner kommer i luften, jord og vand. Chlorfluorcarboner, eller CFC'er, for eksempel, blev forbudt ved international traktat i 1980'erne, efter at de blev fundet at ødelægge Jordens beskyttende ozonlag, og andre fluorcarboner var på listen over "for evigt kemikalier", som en traktat fra 2001 var målrettet mod.

"Den sværeste del ved at afhjælpe nogen af ​​de fluorholdige forbindelser er at bryde C-F-bindingen; det kræver en masse energi, " sagde Halas, en ingeniør og kemiker, hvis Laboratory for Nanophotonics (LANP) har specialiseret sig i at skabe og studere nanopartikler, der interagerer med lys.

I løbet af de seneste fem år, Halas og kolleger har været banebrydende metoder til fremstilling af "antenne-reaktor"-katalysatorer, der ansporer eller fremskynder kemiske reaktioner. Mens katalysatorer er meget udbredt i industrien, de bruges typisk i energikrævende processer, der kræver høj temperatur, højtryk eller begge dele. For eksempel, et net af katalytisk materiale indsættes i en højtryksbeholder på et kemisk anlæg, og naturgas eller et andet fossilt brændstof brændes for at opvarme gassen eller væsken, der strømmer gennem nettet. LANP's antennereaktorer forbedrer energieffektiviteten dramatisk ved at fange lysenergi og indsætte den direkte ved punktet for den katalytiske reaktion.

I den Naturkatalyse undersøgelse, den energifangende antenne er en aluminiumspartikel, der er mindre end en levende celle, og reaktorerne er øer af palladium spredt ud over aluminiumsoverfladen. Den energibesparende egenskab ved antenne-reaktor-katalysatorer illustreres måske bedst af en anden af ​​Halas' tidligere succeser:soldamp. I 2012 hendes hold viste, at dets energi-høstende partikler øjeblikkeligt kunne fordampe vandmolekyler nær deres overflade, hvilket betyder, at Halas og kolleger kunne lave damp uden kogende vand. For at køre pointen hjem, de viste, at de kunne lave damp af iskoldt vand.

Antenne-reaktor-katalysatordesignet gør det muligt for Halas' team at blande og matche metaller, der er bedst egnede til at fange lys og katalysere reaktioner i en bestemt sammenhæng. Arbejdet er en del af den grønne kemi-bevægelse mod renere, mere effektive kemiske processer, og LANP har tidligere demonstreret katalysatorer til fremstilling af ethylen og syngas og til spaltning af ammoniak til fremstilling af brintbrændstof.

Studielederforfatter Hossein Robatjazi, en Beckman Postdoctoral Fellow ved UCSB, der opnåede sin ph.d. fra Rice i 2019, udførte hovedparten af ​​forskningen under sine kandidatstudier i Halas' laboratorium. Han sagde, at projektet også viser vigtigheden af ​​tværfagligt samarbejde.

"Jeg afsluttede eksperimenterne sidste år, men vores eksperimentelle resultater havde nogle interessante funktioner, ændringer i reaktionskinetikken under belysning, det rejste et vigtigt, men interessant spørgsmål:Hvilken rolle spiller lys for at fremme den C-F brydende kemi?" sagde han.

Svarene kom, efter at Robatjazi ankom for sin postdoc-erfaring på UCSB. Han fik til opgave at udvikle en mikrokinetikmodel, og en kombination af indsigt fra modellen og fra teoretiske beregninger udført af samarbejdspartnere på Princeton hjalp med at forklare de forvirrende resultater.

"Med denne model, vi brugte perspektivet fra overfladevidenskab i traditionel katalyse til unikt at forbinde de eksperimentelle resultater med ændringer i reaktionsvejen og reaktivitet under lyset, " han sagde.

Demonstrationseksperimenterne på fluormethan kunne kun være begyndelsen til C-F-brydningskatalysatoren.

"Denne generelle reaktion kan være nyttig til at afhjælpe mange andre typer fluorerede molekyler, " sagde Halas.