Uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores da Universidade de Yale e do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), desenvolveu um novo catalisador para quebrar as ligações carbono-flúor, uma das ligações químicas mais fortes conhecidas. A descoberta, publicado em 10 de setembro em Catálise ACS , é um avanço para os esforços de remediação ambiental e síntese química.

"Nosso objetivo era desenvolver uma tecnologia que pudesse degradar substâncias polifluoroalquílicas (PFAS), um dos problemas de remediação de poluentes mais desafiadores da atualidade, "disse Jaehong Kim, professor do departamento de engenharia química e ambiental da Universidade de Yale. "PFAS são amplamente detectados em todo o mundo, da biota ártica ao corpo humano, e as concentrações em águas subterrâneas contaminadas excedem significativamente o limite regulamentar em muitas áreas. Atualmente, não existem métodos de eficiência energética para destruir esses contaminantes. Nossa colaboração com o Brookhaven Lab visa resolver esse problema aproveitando as propriedades exclusivas dos catalisadores de átomo único. "

Sintetizando menor, catalisadores mais eficientes

Para otimizar a eficiência dos catalisadores - substâncias que iniciam ou aceleram as reações químicas - os cientistas os dividem em pedaços menores, até nanomateriais. E recentemente, os cientistas começaram a quebrar os catalisadores ainda mais, além da nanoescala e em átomos individuais.

"A única parte de um catalisador que é reativa é sua superfície, "disse o cientista de Brookhaven Eli Stavitski." Então, se você quebrar um catalisador em pequenos pedaços, você aumenta sua área de superfície e expõe mais propriedades reativas do catalisador. Mas também, quando você quebra os catalisadores abaixo de 10 nanômetros, suas propriedades eletrônicas mudam dramaticamente. De repente, eles se tornam muito reativos. Em última análise, você quer ir para a próxima etapa, e quebrar os catalisadores em átomos individuais. "

O desafio é que átomos individuais não se comportam da mesma forma que catalisadores maiores; eles não gostam de ficar sozinhos, e podem causar reações colaterais indesejadas. Para usar catalisadores de átomo único de forma eficaz, os cientistas devem identificar a combinação perfeita de um metal reativo e estável, ambiente complementar.

Agora, pesquisadores identificaram átomos de platina como um catalisador eficiente para quebrar as ligações carbono-flúor. A platina é um metal especialmente forte, e é capaz de dividir o gás hidrogênio em átomos de hidrogênio individuais - um passo fundamental para quebrar a ligação carbono-flúor.

"Nossa equipe em Yale desenvolveu recentemente um método prontamente escalonável para sintetizar catalisadores de átomo único em duas etapas simples, "disse Kim." Primeiro, ligamos metais a locais de ancoragem em um material de suporte, então fotoreduzimos os metais a átomos únicos sob irradiação UV-C moderada. Usando este método, nosso grupo tem sintetizado um conjunto de catalisadores de átomo único envolvendo vários metais (platina, paládio, e cobalto) e suportes (carboneto de silício, nitreto de carbono, e dióxido de titânio) para numerosas reações catalíticas. Nesse trabalho, descobrimos que átomos de platina simples carregados em carboneto de silício são surpreendentemente eficazes em catalisar a clivagem da ligação de fluoreto de carbono e quebrar contaminantes como o PFAS. "

Imagens de átomos individuais

To visualize their new catalyst and assess its performance, 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."