Et gennembrud inden for katalysatorer:Mindre end nanoskala

I to årtier, manipulere materialer på nanoskala for at udvikle effektive katalysatorer til forskellige applikationer, herunder vandbehandling, har været guldstandarden på området. Men en ny undersøgelse går endnu mindre - ned til et enkelt atom, den teoretiske grænse i materialenedskæring. Og resultaterne viser en stor forbedring af effektiviteten, med overraskende nye egenskaber, som ikke kan opnås med nanomaterialer.

Studiet, ledet af Jaehong Kims laboratorium, Henry P. Becton Sr. professor og formand for kemi- og miljøteknik, var et samarbejde mellem Yale, Arizona State University, og Brookhaven National Laboratory. Den blev offentliggjort i denne uge i Naturkommunikation .

Når det kommer til vandbehandlingskatalysatorer, som bruges til at nedbryde forurenende stoffer, mindre er bedre. Det er fordi det øger overfladearealet, hvilket øger dens kinetik. Men nanomaterialer, så små de er, stadig har klynger af atomer begravet under overfladen, som ikke bliver brugt.

Til studiet, forskerne syntetiserede et enkelt palladiumatom på et siliciumcarbidsubstrat. Dette nye katalytiske system forbedrede markant kinetikken for at ødelægge skadelige klorerede forurenende stoffer i vand. Systemets lave omkostninger er også afgørende for dets succes. Udgifterne til palladium og andre materialer med værdifulde katalysatoregenskaber har været uoverkommelige i udviklingen af ​​omkostningseffektive vandbehandlingssystemer.

"Hvis du bryder dyr palladiumkatalysator ned til en enkeltatomgrænse, lige pludselig, det bliver så billigt, at det åbner op for nye muligheder, især til applikationer som omkostningsfølsom vandbehandling, " sagde Kim.

En særlig værdifuld egenskab ved palladiumatomet er, hvor selektivt det er, når det nedbryder stoffer. Det er afgørende, for hvis en katalysator, der nedbrydes mere, end den skal – dvs. ikke-giftige stoffer - det vil spilde energi. Men palladium på enkeltatomniveau nedbryder selektivt kulstof-halogenbindinger med næsten 100% selektivitet, mens resten af ​​molekylet efterlades intakt. En så høj selektivitet er ikke mulig med palladiumnanopartikler, som er den nuværende industristandard.

Med alle disse fordele i forhold til standard nanomateriale katalysator, Kim sagde, at undersøgelsen markerer et "temmelig vigtigt fremskridt inden for vandbehandlingsområdet."

"Dette øger ikke kun kinetikken og reducerer omkostningerne drastisk, det betyder, at vi kan udføre selektiv destruktion af forurenende stoffer til vandbehandling for første gang, " sagde Kim.

For at bygge videre på deres gennembrud, forskerne arbejder på at integrere materialet i en hydrogeneringsreaktor og en elektrokemisk celle for at lave et modulært vandbehandlingssystem, der er rettet mod forskellige forurenende stoffer, med særlig fokus på menneskeskabt halogeneret, giftige organiske stoffer, herunder PFAS-kemikalier.