Un equipo internacional de científicos, incluidos investigadores de la Universidad de Yale y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha desarrollado un nuevo catalizador para romper los enlaces carbono-flúor. uno de los enlaces químicos más fuertes conocidos. El descubrimiento, publicado el 10 de septiembre en Catálisis ACS , es un gran avance para los esfuerzos de remediación ambiental y síntesis química.

"Nuestro objetivo era desarrollar una tecnología que pudiera degradar las sustancias polifluoroalquilo (PFAS), uno de los problemas de remediación de contaminantes más desafiantes de la actualidad, "dijo Jaehong Kim, profesor en el departamento de ingeniería química y ambiental de la Universidad de Yale. "Los PFAS se detectan ampliamente en todo el mundo, de la biota ártica al cuerpo humano, y las concentraciones en el agua subterránea contaminada exceden significativamente el límite reglamentario en muchas áreas. En la actualidad, no existen métodos energéticamente eficientes para destruir estos contaminantes. Nuestra colaboración con Brookhaven Lab tiene como objetivo resolver este problema aprovechando las propiedades únicas de los catalizadores de un solo átomo ".

Sintetizando más pequeño, catalizadores más eficientes

Para optimizar la eficiencia de los catalizadores, sustancias que inician o aceleran reacciones químicas, los científicos los descomponen en pedazos más pequeños, hasta los nanomateriales. Y recientemente Los científicos han comenzado a descomponer los catalizadores aún más, más allá de la nanoescala y en átomos individuales.

"La única parte de un catalizador que es reactiva es su superficie, ", dijo el científico de Brookhaven Eli Stavitski. si rompe un catalizador en pedazos pequeños, aumenta su área de superficie y expone más de las propiedades reactivas del catalizador. Pero también, cuando descompone los catalizadores por debajo de los 10 nanómetros, sus propiedades electrónicas cambian drásticamente. De repente se vuelven muy reactivos. Por último, quieres ir al siguiente paso, y descomponer los catalizadores en átomos individuales ".

El desafío es que los átomos individuales no se comportan igual que los catalizadores más grandes; no les gusta estar solos, y pueden provocar reacciones secundarias no deseadas. Para utilizar catalizadores de un solo átomo de forma eficaz, Los científicos deben identificar la combinación perfecta de un fuerte, metal reactivo y estable, entorno complementario.

Ahora, Los investigadores han identificado átomos individuales de platino como un catalizador eficaz para romper los enlaces carbono-flúor. El platino es un metal especialmente fuerte, y es capaz de dividir el gas hidrógeno en átomos de hidrógeno individuales, un paso clave para romper el enlace carbono-flúor.

"Nuestro equipo en Yale desarrolló recientemente un método fácilmente escalable para sintetizar catalizadores de un solo átomo en dos pasos simples, "dijo Kim." Primero, unimos metales para anclar sitios en un material de soporte, luego fotorreducimos los metales a átomos individuales bajo una suave irradiación de UV-C. Usando este método, Nuestro grupo ha estado sintetizando un conjunto de catalizadores de un solo átomo que involucran varios metales (platino, paladio, y cobalto) y soportes (carburo de silicio, nitruro de carbono, y dióxido de titanio) para numerosas reacciones catalíticas. En este trabajo, descubrimos que átomos de platino individuales cargados en carburo de silicio son sorprendentemente efectivos para catalizar la ruptura del enlace carbono-fluoruro y descomponer contaminantes como PFAS ".

Imágenes de átomos individuales

Para visualizar su nuevo catalizador y evaluar su desempeño, the scientists came to two DOE Office of Science User Facilities at Brookhaven Lab—the Center for Functional Nanomaterials (CFN) and the National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). The world-class tools at each facility provided complimentary techniques for seeing this incredibly small catalyst.

At CFN, the scientists used an advanced transmission electron microscope (TEM) to get a close-up view of the platinum atoms. By scanning an electron probe over the sample, 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."