Ingenieurs van Rice University hebben een door licht aangedreven katalysator ontwikkeld die de sterke chemische bindingen in fluorkoolwaterstoffen kan verbreken. een groep synthetische materialen die persistente milieuverontreinigende stoffen bevat.

In een studie die deze maand is gepubliceerd in Natuur Katalyse , Rijst nanofotonica pionier Naomi Halas en medewerkers aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB) en Princeton University toonden aan dat kleine aluminiumbolletjes bezaaid met spikkels palladium koolstof-fluor (C-F) bindingen kunnen verbreken via een katalytisch proces dat bekend staat als hydrodefluorering, waarbij een fluoratoom wordt vervangen door een waterstofatoom.

De sterkte en stabiliteit van C-F-bindingen liggen aan de basis van enkele van de meest herkenbare chemische merken van de 20e eeuw, inclusief teflon, Freon en Scotchgard. Maar de sterkte van die bindingen kan problematisch zijn als fluorkoolwaterstoffen in de lucht komen, grond en water. Chloorfluorkoolwaterstoffen, of CFK's, bijvoorbeeld, werden in de jaren tachtig door een internationaal verdrag verboden nadat bleek dat ze de beschermende ozonlaag van de aarde aantasten, en andere fluorkoolwaterstoffen stonden op de lijst van "voor altijd chemicaliën" waarop een verdrag van 2001 doelde.

"Het moeilijkste aan het saneren van een van de fluorhoudende verbindingen is het verbreken van de C-F-binding; het vereist veel energie, " zei Halas, een ingenieur en chemicus wiens Laboratorium voor Nanofotonica (LANP) gespecialiseerd is in het creëren en bestuderen van nanodeeltjes die interageren met licht.

In de afgelopen vijf jaar, Halas en collega's hebben baanbrekend werk verricht voor het maken van "antenne-reactor"-katalysatoren die chemische reacties stimuleren of versnellen. Hoewel katalysatoren veel worden gebruikt in de industrie, ze worden meestal gebruikt in energie-intensieve processen die hoge temperaturen vereisen, hoge druk of beide. Bijvoorbeeld, een gaas van katalytisch materiaal wordt in een hogedrukvat in een chemische fabriek gestoken, en aardgas of een andere fossiele brandstof wordt verbrand om het gas of de vloeistof die door het gaas stroomt te verwarmen. De antennereactoren van LANP verbeteren de energie-efficiëntie drastisch door lichtenergie op te vangen en direct op het punt van de katalytische reactie in te brengen.

In de Natuur Katalyse studie, de energieopnemende antenne is een aluminiumdeeltje kleiner dan een levende cel, en de reactoren zijn eilanden van palladium verspreid over het aluminium oppervlak. De energiebesparende eigenschap van antenne-reactorkatalysatoren wordt misschien het best geïllustreerd door een ander van Halas' eerdere successen:zonnestoom. In 2012, haar team toonde aan dat de energie-oogstende deeltjes watermoleculen in de buurt van hun oppervlak onmiddellijk konden verdampen, wat betekent dat Halas en collega's stoom konden maken zonder kokend water. Om het punt naar huis te rijden, ze lieten zien dat ze stoom konden maken van ijskoud water.

Dankzij het ontwerp van de antenne-reactorkatalysator kan het team van Halas metalen mixen en matchen die het meest geschikt zijn voor het vastleggen van licht en het katalyseren van reacties in een bepaalde context. Het werk maakt deel uit van de groene chemiebeweging naar schoner, efficiëntere chemische processen, en LANP heeft eerder katalysatoren gedemonstreerd voor de productie van ethyleen en syngas en voor het splitsen van ammoniak om waterstofbrandstof te produceren.

Hoofdauteur van de studie Hossein Robatjazi, een Beckman Postdoctoral Fellow bij UCSB die zijn Ph.D. van Rijst in 2019, voerde het grootste deel van het onderzoek uit tijdens zijn afstudeeronderzoek in het laboratorium van Halas. Hij zei dat het project ook het belang van interdisciplinaire samenwerking aantoont.

"Vorig jaar heb ik de experimenten afgerond, maar onze experimentele resultaten hadden enkele interessante eigenschappen, veranderingen in de reactiekinetiek onder belichting, dat riep een belangrijke maar interessante vraag op:welke rol speelt licht om de CF-brekende chemie te bevorderen?", zei hij.

De antwoorden kwamen nadat Robatjazi arriveerde voor zijn postdoctorale ervaring bij UCSB. Hij kreeg de opdracht om een ​​microkinetisch model te ontwikkelen, en een combinatie van inzichten uit het model en uit theoretische berekeningen uitgevoerd door medewerkers van Princeton hielpen de raadselachtige resultaten te verklaren.

"Met dit model we gebruikten het perspectief van oppervlaktewetenschap in traditionele katalyse om de experimentele resultaten op unieke wijze te koppelen aan veranderingen in de reactieroute en reactiviteit onder het licht, " hij zei.

De demonstratie-experimenten met fluormethaan zouden nog maar het begin kunnen zijn voor de CF-brekende katalysator.

"Deze algemene reactie kan nuttig zijn voor het saneren van vele andere soorten gefluoreerde moleculen, ' zei Halas.