Ingenjörer från Rice University har skapat en ljusdriven katalysator som kan bryta de starka kemiska bindningarna i fluorkolväten, en grupp syntetiska material som innehåller persistenta miljöföroreningar.

I en studie publicerad denna månad i Naturkatalys , Risnanofotonpionjären Naomi Halas och medarbetare vid University of California, Santa Barbara (UCSB) och Princeton University visade att små sfärer av aluminium prickade med fläckar av palladium kan bryta kol-fluor (C-F) bindningar via en katalytisk process som kallas hydrodefluorination där en fluoratom ersätts av en väteatom.

Styrkan och stabiliteten hos C-F-bindningar ligger bakom några av 1900-talets mest kända kemiska märken, inklusive teflon, Freon och Scotchgard. Men styrkan hos dessa bindningar kan vara problematisk när fluorkolväten kommer ut i luften, jord och vatten. Klorfluorkolväten, eller CFC, till exempel, förbjöds av internationellt fördrag på 1980 -talet efter att de visade sig förstöra jordens skyddande ozonlager, och andra fluorkolväten fanns på listan över "evigt kemikalier" som målsätts i ett 2001 -fördrag.

"Det svåraste med att åtgärda någon av de fluorinnehållande föreningarna är att bryta C-F-bindningen; det kräver mycket energi, "sa Halas, en ingenjör och kemist vars laboratorium för nanofotonik (LANP) är specialiserat på att skapa och studera nanopartiklar som interagerar med ljus.

Under de senaste fem åren har Halas och kollegor har föregått metoder för att tillverka "antennreaktor" -katalysatorer som stimulerar eller påskyndar kemiska reaktioner. Även om katalysatorer används i stor utsträckning inom industrin, de används vanligtvis i energikrävande processer som kräver hög temperatur, högt tryck eller båda. Till exempel, ett nät av katalytiskt material förs in i ett högtryckskärl vid en kemisk fabrik, och naturgas eller annat fossilt bränsle bränns för att värma gasen eller vätskan som strömmar genom nätet. LANPs antennreaktorer förbättrar energieffektiviteten dramatiskt genom att fånga upp ljusenergi och sätta in den direkt vid den katalytiska reaktionens punkt.

I Naturkatalys studie, den energiupptagande antennen är en aluminiumpartikel som är mindre än en levande cell, och reaktorerna är öar av palladium utspridda över aluminiumytan. Den energibesparande funktionen hos antennreaktorkatalysatorer illustreras kanske bäst av en annan av Halas tidigare framgångar:solånga. Under 2012, hennes team visade att dess energi-skördande partiklar omedelbart kunde förånga vattenmolekyler nära deras yta, vilket innebär att Halas och kollegor kan göra ånga utan kokande vatten. För att köra hem poängen, de visade att de kunde göra ånga från iskallt vatten.

Antennreaktorkatalysatorns design gör att Halas team kan blanda och matcha metaller som är bäst lämpade för att fånga ljus och katalysera reaktioner i ett visst sammanhang. Verket är en del av den gröna kemirörelsen mot renare, mer effektiva kemiska processer, och LANP har tidigare visat katalysatorer för produktion av eten och syngas och för att klyva ammoniak för att producera vätebränsle.

Studera huvudförfattaren Hossein Robatjazi, en Beckman postdoktor vid UCSB som tog sin doktorsexamen från Rice 2019, genomförde huvuddelen av forskningen under sina doktorandstudier i Halas lab. Han sa att projektet också visar vikten av tvärvetenskapligt samarbete.

"Jag avslutade experimenten förra året, men våra experimentella resultat hade några intressanta funktioner, förändringar av reaktionskinetiken under belysning, som väckte en viktig men intressant fråga:Vilken roll spelar ljus för att främja C-F-brytande kemi? "sa han.

Svaren kom efter att Robatjazi anlände för sin postdoktorala erfarenhet vid UCSB. Han fick i uppgift att utveckla en mikrokinetikmodell, och en kombination av insikter från modellen och från teoretiska beräkningar utförda av samarbetspartners på Princeton hjälpte till att förklara de förbryllande resultaten.

"Med den här modellen, vi använde perspektivet från ytvetenskap i traditionell katalys för att unikt koppla experimentella resultat till förändringar av reaktionsvägen och reaktivitet under ljuset, " han sa.

Demonstrationsexperimenten med fluormetan kan bara vara början för C-F-katalysatorn.

"Denna allmänna reaktion kan vara användbar för att avhjälpa många andra typer av fluorerade molekyler, Sa Halas.