Ett internationellt team av forskare inklusive forskare vid Yale University och US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har utvecklat en ny katalysator för att bryta kol-fluorbindningar, en av de starkaste kemiska bindningarna som är kända. Upptäckten, publicerad den 10 september i ACS -katalys , är ett genombrott för insatser inom miljösanering och kemisk syntes.

"Vi ville utveckla en teknik som kunde bryta ned polyfluoroalkylämnen (PFAS), ett av dagens mest utmanande problem med föroreningar, "sa Jaehong Kim, professor vid institutionen för kemi- och miljöteknik vid Yale University. "PFAS upptäcks allmänt över hela världen, från arktisk biota till människokroppen, och koncentrationer i förorenat grundvatten överstiger avsevärt regleringsgränsen på många områden. För närvarande, det finns inga energieffektiva metoder för att förstöra dessa föroreningar. Vårt samarbete med Brookhaven Lab syftar till att lösa detta problem genom att dra fördel av de unika egenskaperna hos en atomkatalysatorer. "

Syntetisera mindre, effektivare katalysatorer

För att optimera katalysatorernas effektivitet-ämnen som initierar eller påskyndar kemiska reaktioner-bryter forskarna ner dem i mindre bitar, ända ner till nanomaterial. Och nyligen, forskare har börjat bryta ner katalysatorer ännu mer, bortom nanoskala och till enkla atomer.

"Den enda delen av en katalysator som är reaktiv är dess yta, "sa Brookhaven -forskaren Eli Stavitski." Så, om du bryter ner en katalysator i små bitar, du ökar dess yta och avslöjar mer av katalysatorns reaktiva egenskaper. Men också, när du bryter ner katalysatorer under 10 nanometer, deras elektroniska egenskaper förändras dramatiskt. De blir plötsligt väldigt reaktiva. I sista hand, du vill gå till nästa steg, och bryta ner katalysatorer till enskilda atomer. "

Utmaningen är att enskilda atomer inte beter sig på samma sätt som större katalysatorer; de gillar inte att stå ensamma, och de kan orsaka oönskade sidreaktioner. För att använda enkelatomskatalysatorer effektivt, forskare måste identifiera den perfekta kombinationen av en stark, reaktiv metall och en stabil, kompletterande miljö.

Nu, forskare har identifierat enstaka atomer av platina som en effektiv katalysator för att bryta kol-fluorbindningar. Platina är en särskilt stark metall, och den kan dela upp vätgas i enskilda väteatomer-ett viktigt steg mot att bryta kol-fluorbindningen.

"Vårt team på Yale utvecklade nyligen en lätt skalbar metod för att syntetisera enatomkatalysatorer i två enkla steg, "sa Kim." Först, vi binder metaller till förankringsplatser på ett stödmaterial, sedan fotoreducerar vi metallerna till enstaka atomer under mild UV-C-bestrålning. Med denna metod, vår grupp har syntetiserat en uppsättning enkelatomskatalysatorer som involverar olika metaller (platina, palladium, och kobolt) och stöd (kiselkarbid, kolnitrid, och titandioxid) för många katalytiska reaktioner. I det här arbetet, vi fann enstaka platinaatomer laddade på kiselkarbid för att vara påfallande effektiva för att katalysera klyvning av kolfluoridbindningar och bryta ned föroreningar som PFAS. "

Imaging enda atomer

För att visualisera deras nya katalysator och bedöma dess prestanda, 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."