Очистка воды всего несколькими атомами

Фото: CC0 Общественное достояние

Благодаря своей значительной эффективности катализаторы, состоящие всего из нескольких атомов, являются многообещающими в области очистки воды. В новом исследовании исследователи изучили, как оптимизировать производительность этих катализаторов и сделать их пригодными для практического использования.

Результаты исследования, проведенного проф. Jaehong Kim, опубликованы в Трудах Национальной академии наук.

В последние несколько десятилетий наноразмерные катализаторы привлекли большое внимание в области очистки воды. Материалы на наноуровне обладают многочисленными уникальными и полезными свойствами. Совсем недавно исследователи изучали возможности одноатомных катализаторов. Даже меньшие, чем наноматериалы, эти катализаторы могут обеспечить еще большую эффективность.

"Раньше у нас не было такой возможности, но теперь мы в основном загружаем одноатомные металлы, атом за атомом, на подложку", - сказал Ким, профессор химической и экологической инженерии Генри П. Бектона-старшего. "И это здорово, потому что вы можете использовать весь атом".

Эффективность имеет решающее значение, поскольку материалы, которые обычно используются для катализаторов, могут быть очень дорогими.Например, палладий (который в настоящее время стоит около 2000 долларов за унцию) - это металл, который часто используется для катализаторов. Быстрое сравнение показывает, почему одноатомные катализаторы вызвали такой большой интерес. В наноразмерной форме 50 нанометров палладия стоят около 37 долларов, чтобы покрыть площадь около 250 квадратных метров. Чуть более 2% ее атомов находятся на поверхности. В одноатомной форме, напротив, палладий стоит всего 17 центов, чтобы покрыть площадь, превышающую 50 футбольных полей. И вы не можете превзойти его по эффективности, при 100% воздействии атомов на поверхность.

Одним из ограничений одноатомных катализаторов является то, что определенные условия могут снизить их каталитические характеристики. В качестве решения этой проблемы исследователи приступили к созданию катализаторов, состоящих из небольшого скопления атомов, известных как ансамбли. Вместо тысяч атомов, из которых состоит наноматериал, эти кластеры содержат всего три или четыре атома. "Но они проявляют свойства, больше похожие на свойства одного атома, потому что они представляют собой такой маленький кластер, и все атомы открыты на поверхности", - сказал Ким.

Поскольку конструкция этого материала все еще относительно нова, исследователи все еще выясняют наилучшие способы управления свойствами этих ансамблевых структур и оптимизации их производительности. Например, полностью изолированные одноатомные катализаторы могут быть улучшены путем добавления определенных элементов вокруг металлов. Ким и его исследовательская группа исследовали, можно ли подобным образом манипулировать атомными ансамблями. Их статья является первой, в которой исследуются возможности этого.

Ким создал систему с катализатором, использующим ансамбль атомов палладия, предназначенную для уменьшения содержания канцерогена бромата в воде. Они ввели неметаллические элементы серу, азот и бор в окружение атомных ансамблей. Общие результаты свидетельствуют об улучшении каталитических характеристик системы. По словам Ким, это многообещающий признак, тем более что очистка воды должна быть максимально экономичной.

"В конечном счете, мы надеемся получить высокоэффективное устройство с этим катализатором для уничтожения загрязняющих веществ в воде, потому что это будет намного дешевле и эффективнее, чем другие материалы", - сказал он.