Un equipo internacional de científicos que incluye 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 en septiembre10 pulgadas catálisis ACS , es un gran avance para los esfuerzos en remediación ambiental y síntesis química.
"Nuestro objetivo era desarrollar una tecnología que pudiera degradar las sustancias de polifluoroalquilo PFAS, uno de los problemas de remediación de contaminantes más desafiantes de la actualidad", dijo Jaehong Kim, profesor del departamento de ingeniería química y ambiental de la Universidad de Yale."Los PFAS se detectan ampliamente en todo el mundo, desde la biota ártica hasta el cuerpo humano, y las concentraciones en el agua subterránea contaminada superan significativamente el límite reglamentario en muchas áreas. Actualmente, no existen métodos de eficiencia energética para destruir estos contaminantes. Nuestra colaboración con BrookhavenEl laboratorio tiene como objetivo resolver este problema aprovechando las propiedades únicas de los catalizadores de un solo átomo ".
Sintetizando catalizadores más pequeños y más eficientes
Para optimizar la eficiencia de los catalizadores, sustancias que inician o aceleran las 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 dela nanoescala y en átomos individuales.
"La única parte de un catalizador que es reactivo es su superficie", dijo el científico de Brookhaven Eli Stavitski. "Entonces, si descompone un catalizador en pedazos pequeños, aumenta su área de superficie y expone más propiedades reactivas del catalizador.Pero también, cuando descompone los catalizadores por debajo de 10 nanómetros, sus propiedades electrónicas cambian drásticamente. De repente se vuelven muy reactivos. En última instancia, desea avanzar 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 causar reacciones secundarias no deseadas. Para usar catalizadores de un solo átomo de manera efectiva, los científicos deben identificar la combinación perfectade un metal fuerte, reactivo y un entorno estable y complementario.
Ahora, los investigadores han identificado átomos individuales de platino como un catalizador eficiente 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 carbono-enlace de 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 los metales a los sitios de anclaje en un material de soporte, luego fotorreducemos los metales a átomos individualesbajo irradiación UV-C leve. Mediante 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 numerosos catalíticosreacciones. En este trabajo, descubrimos que los átomos de platino individuales cargados en carburo de silicio son sorprendentemente efectivos para catalizar la división de enlaces de fluoruro de carbono y descomponer contaminantes como PFAS ".
Imágenes de átomos individuales
Para visualizar su nuevo catalizador y evaluar su desempeño, los científicos acudieron a dos instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven Lab: el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN y la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II NSLS-II.herramientas de clase mundial en cada instalación proporcionaron técnicas complementarias para ver este catalizador increíblemente pequeño.
En CFN, los científicos utilizaron un microscopio electrónico de transmisión avanzado TEM para obtener una vista cercana de los átomos de platino. Al escanear una sonda de electrones sobre la muestra, los científicos pudieron visualizar átomos discretos de platino en el carburo de silicioapoyo.
"Esta investigación ofrece un estándar de oro para mostrar cómo la caracterización multimodal puede contribuir a la comprensión de los mecanismos de reacción fundamentales de los catalizadores de un solo átomo", dijo Huolin Xin, ex miembro del personal científico de CFN y ahora profesor de la Universidad de California.
En comparación con la vista más pequeña y más enfocada del catalizador que CFN podría proporcionar, NSLS-II permitió a los investigadores obtener una visión más amplia del catalizador y su entorno circundante.
"Tenemos una técnica en NSLS-II, llamada espectroscopía de absorción de rayos X, que es especialmente sensible al estado del catalizador y al entorno que lo rodea", dijo Stavitski, quien también es un científico de línea de luz en Inner de NSLS-II- Línea de haz de espectroscopía de concha ISS, donde se realizó la investigación.
Al iluminar la luz de rayos X ultrabrillante de NSLS-II sobre el catalizador y usar ISS para ver cómo interactúa la luz con la muestra y su entorno, los científicos pudieron "ver" cómo se construyó el catalizador de un solo átomo.
La investigación en ISS fue parte de la asociación estratégica de NSLS-II con la Universidad de Yale e ilustra cómo las universidades y la industria pueden trabajar con Brookhaven Lab para resolver sus desafíos de investigación.
"Estamos buscando una serie de alianzas estratégicas para fortalecer nuestras conexiones con instituciones cercanas y aprovechar el tremendo poder intelectual y la experiencia en el noreste de los Estados Unidos", dijo Qun Shen, Director Adjunto de Ciencias de NSLS-II. "Grupos de profesores de Yaleson un excelente ejemplo a este respecto. Estamos felices de ver que esto está comenzando a dar sus frutos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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