I två decennier, manipulera material i nanoskala för att utveckla effektiva katalysatorer för olika applikationer, inklusive vattenrening, har varit guldstandarden på området. Men en ny studie går ännu mindre – ner till en enda atom, den teoretiska gränsen i materialnedskärning. Och resultaten visar en stor effektivitetsförbättring, med överraskande nya egenskaper som inte kan uppnås med nanomaterial.

Studien, ledd av Jaehong Kims labb, Henry P. Becton Sr. professor och ordförande för kemi- och miljöteknik, var ett samarbete mellan Yale, Arizona State University, och Brookhaven National Laboratory. Den publicerades i veckan i Naturkommunikation .

När det gäller vattenbehandlingskatalysatorer, som används för att bryta ned föroreningar, mindre är bättre. Det beror på att det ökar ytan, vilket ökar dess kinetik. Men nanomaterial, så små de är, har fortfarande kluster av atomer begravda under ytan som går oanvända.

För studien, forskarna syntetiserade en enda palladiumatom på ett kiselkarbidsubstrat. Detta nya katalytiska system förbättrade avsevärt kinetiken för att förstöra skadliga klorerade föroreningar i vatten. Systemets låga kostnad är också avgörande för dess framgång. Kostnaden för palladium och andra material med värdefulla katalysatoregenskaper har varit oöverkomliga för att utveckla kostnadseffektiva vattenbehandlingssystem.

"Om du bryter dyr palladiumkatalysator ner till en atomgräns, helt plötsligt, det blir så billigt att det öppnar nya möjligheter, speciellt för applikationer som kostnadskänslig vattenbehandling, " sa Kim.

En särskilt värdefull egenskap hos palladiumatomen är hur selektiv den är vid nedbrytning av ämnen. Det är avgörande för om en katalysator som bryts ner mer än den behöver – dvs. giftfria ämnen – det kommer att slösa energi. Men palladium på enatomsnivå bryter selektivt ned kol-halogenbindningar med nästan 100% selektivitet, medan resten av molekylen lämnas intakt. En så hög selektivitet är inte möjlig med palladiumnanopartiklar, som är den nuvarande branschstandarden.

Med alla dessa fördelar jämfört med den vanliga nanomaterialkatalysatorn, Kim sa att studien markerar ett "ganska viktigt framsteg inom vattenbehandlingsområdet."

"Detta ökar inte bara kinetiken och minskar drastiskt kostnaderna, det betyder att vi kan göra selektiv destruktion av föroreningar för vattenrening för första gången, " sa Kim.

För att bygga vidare på deras genombrott, forskarna arbetar med att integrera materialet i en hydreringsreaktor och en elektrokemisk cell för att göra ett modulärt vattenreningssystem som riktar sig mot olika föroreningar, med särskilt fokus på antropogena halogenerade, giftiga organiska ämnen, inklusive PFAS-kemikalier.