Durante dos décadas, manipular materiales a nanoescala para desarrollar catalizadores eficientes para diversas aplicaciones, incluido el tratamiento del agua, ha sido el patrón oro en el campo. Pero un nuevo estudio es aún más pequeño:se reduce a un solo átomo, el límite teórico en la reducción de material. Y los resultados muestran una gran mejora en la eficiencia, con sorprendentes propiedades nuevas que los nanomateriales no pueden lograr.

El estudio, dirigido por el laboratorio de Jaehong Kim, el Profesor Henry P. Becton Sr. y Presidente de Ingeniería Química y Ambiental, fue una colaboración entre Yale, Universidad del estado de Arizona, y el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Fue publicado esta semana en Comunicaciones de la naturaleza .

Cuando se trata de catalizadores de tratamiento de agua, que se utilizan para descomponer contaminantes, más pequeño es mejor. Eso es porque aumenta el área de superficie, lo que aumenta su cinética. Pero los nanomateriales, tan pequeños como son, todavía tienen grupos de átomos enterrados debajo de la superficie que no se utilizan.

Para el estudio, los investigadores sintetizaron un solo átomo de paladio sobre un sustrato de carburo de silicio. Este nuevo sistema catalítico mejoró significativamente la cinética de destrucción de contaminantes clorados dañinos en el agua. El bajo costo del sistema también es fundamental para su éxito. El costo del paladio y otros materiales con valiosas propiedades catalíticas ha sido prohibitivo en el desarrollo de sistemas de tratamiento de agua rentables.

"Si reduce el costoso catalizador de paladio a un límite de un solo átomo, de repente, se vuelve tan barato que abre nuevas oportunidades, especialmente para aplicaciones como el tratamiento de agua sensible a los costos, "Dijo Kim.

Una propiedad particularmente valiosa del átomo de paladio es lo selectivo que es al descomponer sustancias. Eso es crucial porque si un catalizador que se descompone más de lo necesario, es decir, Sustancias no tóxicas:desperdiciará energía. Pero el paladio en el nivel de un solo átomo rompe selectivamente los enlaces carbono-halógeno con casi el 100% de selectividad, dejando intacto el resto de la molécula. Una selectividad tan alta no es posible con nanopartículas de paladio, que son el estándar actual de la industria.

Con todas estas ventajas sobre el catalizador de nanomateriales estándar, Kim dijo que el estudio marca un "avance bastante importante en el campo del tratamiento del agua".

"Esto no solo aumenta la cinética y reduce drásticamente el costo, significa que podemos realizar la destrucción selectiva de contaminantes para el tratamiento del agua por primera vez, "Dijo Kim.

Para construir sobre su avance, Los investigadores están trabajando para integrar el material en un reactor de hidrogenación y una celda electroquímica para crear un sistema modular de tratamiento de agua que se dirija a varios contaminantes. con un enfoque particular en antropogénicos halogenados, orgánicos tóxicos, incluidos los productos químicos PFAS.