Gedurende twee decennia, het manipuleren van materialen op nanoschaal om efficiënte katalysatoren te ontwikkelen voor verschillende toepassingen, inclusief waterbehandeling, is de gouden standaard in het veld. Maar een nieuwe studie gaat nog kleiner - tot een enkel atoom, de theoretische limiet in materiële inkrimping. En de resultaten tonen een grote verbetering in efficiëntie, met verrassende nieuwe eigenschappen die niet door nanomaterialen kunnen worden bereikt.

De studie, geleid door het laboratorium van Jaehong Kim, de Henry P. Becton Sr. Professor en voorzitter van Chemical &Environmental Engineering, was een samenwerking tussen Yale, Staatsuniversiteit van Arizona, en het Brookhaven National Laboratory. Het is deze week gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Als het gaat om katalysatoren voor waterbehandeling, die worden gebruikt om verontreinigende stoffen af ​​te breken, kleiner is beter. Dat komt omdat het de oppervlakte vergroot, waardoor de kinetiek toeneemt. Maar nanomaterialen, zo klein als ze zijn, hebben nog steeds clusters van atomen begraven onder het oppervlak die ongebruikt blijven.

Voor de studie, de onderzoekers synthetiseerden een enkel atoom palladium op een substraat van siliciumcarbide. Dit nieuwe katalytische systeem verbeterde de kinetiek van het vernietigen van schadelijke gechloreerde verontreinigende stoffen in water aanzienlijk. De lage kosten van het systeem zijn ook van cruciaal belang voor het succes ervan. De kosten van palladium en andere materialen met waardevolle katalysatoreigenschappen zijn onbetaalbaar geweest bij het ontwikkelen van kosteneffectieve waterbehandelingssystemen.

"Als je dure palladiumkatalysatoren afbreekt tot een limiet van één atoom, opeens, het wordt zo goedkoop dat het nieuwe kansen biedt, speciaal voor toepassingen zoals kostengevoelige waterbehandeling, ' zei Kim.

Een bijzonder waardevolle eigenschap van het palladiumatoom is hoe selectief het is bij het afbreken van stoffen. Dat is cruciaal, want als een katalysator die meer afbreekt dan nodig is, niet-giftige stoffen - het zal energie verspillen. Maar palladium op het niveau van één atoom breekt selectief koolstof-halogeenbindingen af ​​met een selectiviteit van bijna 100%, terwijl de rest van het molecuul intact blijft. Een dergelijke hoge selectiviteit is niet mogelijk met palladium nanodeeltjes, die de huidige industriestandaard zijn.

Met al deze voordelen ten opzichte van de standaard nanomateriaalkatalysator, Kim zei dat de studie een "behoorlijk belangrijke vooruitgang op het gebied van waterbehandeling" markeert.

"Dit verhoogt niet alleen de kinetiek en verlaagt de kosten drastisch, het betekent dat we voor de eerste keer selectieve vernietiging van verontreinigende stoffen kunnen doen voor waterbehandeling, ' zei Kim.

Om voort te bouwen op hun doorbraak, de onderzoekers werken aan de integratie van het materiaal in een hydrogeneringsreactor en elektrochemische cel om een ​​modulair waterbehandelingssysteem te maken dat gericht is op verschillende verontreinigende stoffen, met bijzondere aandacht voor antropogene gehalogeneerde, giftige organische stoffen, inclusief PFAS-chemicaliën.