Een internationaal team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van de Yale University en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een nieuwe katalysator ontwikkeld voor het verbreken van koolstof-fluorbindingen, een van de sterkste chemische bindingen die we kennen. De vondst, gepubliceerd op 10 september in ACS Katalyse , is een doorbraak voor inspanningen op het gebied van milieusanering en chemische synthese.

"We wilden een technologie ontwikkelen die polyfluoralkylstoffen (PFAS) zou kunnen afbreken, een van de meest uitdagende saneringsproblemen van verontreinigende stoffen van vandaag, " zei Jaehong Kim, een professor in de afdeling chemische en milieutechniek aan de Yale University. "PFAS worden over de hele wereld op grote schaal gedetecteerd, van Arctische biota tot het menselijk lichaam, en concentraties in verontreinigd grondwater overschrijden in veel gebieden de wettelijke limiet aanzienlijk. Momenteel, er zijn geen energiezuinige methoden om deze verontreinigingen te vernietigen. Onze samenwerking met Brookhaven Lab heeft tot doel dit probleem op te lossen door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van katalysatoren met één atoom."

kleiner synthetiseren, efficiëntere katalysatoren

Om de efficiëntie van katalysatoren - stoffen die chemische reacties initiëren of versnellen - te optimaliseren, breken wetenschappers ze op in kleinere stukjes, helemaal tot aan nanomaterialen. En onlangs, wetenschappers zijn begonnen katalysatoren nog verder af te breken, voorbij de nanoschaal en in afzonderlijke atomen.

"Het enige deel van een katalysator dat reactief is, is het oppervlak, " zei Brookhaven-wetenschapper Eli Stavitski. "Dus, als je een katalysator in kleine stukjes breekt, je vergroot het oppervlak en legt meer van de reactieve eigenschappen van de katalysator bloot. Maar ook, als je katalysatoren afbreekt tot onder de 10 nanometer, hun elektronische eigenschappen veranderen drastisch. Ze worden ineens erg reactief. uiteindelijk, u naar de volgende stap wilt gaan, en katalysatoren afbreken tot individuele atomen."

De uitdaging is dat individuele atomen zich niet hetzelfde gedragen als grotere katalysatoren; ze houden er niet van om alleen te staan, en ze kunnen ongewenste nevenreacties veroorzaken. Om katalysatoren met één atoom effectief te gebruiken, wetenschappers moeten de perfecte combinatie van een sterke, reactief metaal en een stabiele, complementaire omgeving.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben enkele atomen van platina geïdentificeerd als een efficiënte katalysator voor het verbreken van koolstof-fluorbindingen. Platina is een bijzonder sterk metaal, en het is in staat waterstofgas te splitsen in individuele waterstofatomen - een belangrijke stap in de richting van het verbreken van de koolstof-fluorbinding.

"Ons team bij Yale heeft onlangs een gemakkelijk schaalbare methode ontwikkeld om katalysatoren met één atoom in twee eenvoudige stappen te synthetiseren, "zei Kim. "Eerst, we binden metalen aan verankeringsplaatsen op een ondersteunend materiaal, vervolgens fotoreduceren we de metalen tot enkele atomen onder milde UV-C-straling. Met behulp van deze methode, onze groep heeft een reeks katalysatoren met één atoom gesynthetiseerd waarbij verschillende metalen zijn betrokken (platina, palladium, en kobalt) en dragers (siliciumcarbide, koolstofnitride, en titaandioxide) voor talrijke katalytische reacties. In dit werk, we ontdekten dat enkele platina-atomen geladen op siliciumcarbide opvallend effectief waren in het katalyseren van de splitsing van koolstof-fluoridebindingen en het afbreken van verontreinigingen zoals PFAS."

Enkele atomen in beeld brengen

Om hun nieuwe katalysator te visualiseren en de prestaties ervan te beoordelen, de wetenschappers kwamen naar twee DOE Office of Science User Facilities in Brookhaven Lab - het Center for Functional Nanomaterials (CFN) en de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). De instrumenten van wereldklasse in elke faciliteit boden complementaire technieken om deze ongelooflijk kleine katalysator te zien.

Bij CFN, the scientists used an advanced transmission electron microscope (TEM) to get a close-up view of the platinum atoms. Door een elektronensonde over het monster te scannen, 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."