Un team internazionale di scienziati, tra cui ricercatori della Yale University e del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha sviluppato un nuovo catalizzatore per rompere i legami carbonio-fluoro, uno dei legami chimici più forti conosciuti. La scoperta, pubblicato il 10 settembre in Catalisi ACS , è una svolta per gli sforzi nella bonifica ambientale e nella sintesi chimica.

"Volevamo sviluppare una tecnologia in grado di degradare le sostanze polifluoroalchiliche (PFAS), uno dei problemi di bonifica degli inquinanti più impegnativi dei giorni nostri, " ha detto Jaehong Kim, professore nel dipartimento di ingegneria chimica e ambientale della Yale University. "I PFAS sono ampiamente rilevati in tutto il mondo, dal biota artico al corpo umano, e le concentrazioni nelle acque sotterranee contaminate superano significativamente il limite regolamentare in molte aree. Attualmente, non esistono metodi efficienti dal punto di vista energetico per distruggere questi contaminanti. La nostra collaborazione con Brookhaven Lab mira a risolvere questo problema sfruttando le proprietà uniche dei catalizzatori a singolo atomo".

Sintetizzando più piccolo, catalizzatori più efficienti

Per ottimizzare l'efficienza dei catalizzatori, sostanze che avviano o accelerano le reazioni chimiche, gli scienziati li scompongono in pezzi più piccoli, fino ai nanomateriali. E di recente, gli scienziati hanno iniziato a scomporre ulteriormente i catalizzatori, oltre la nanoscala e in singoli atomi.

"L'unica parte di un catalizzatore che è reattiva è la sua superficie, ", ha detto lo scienziato di Brookhaven Eli Stavitski. "Quindi, se rompi un catalizzatore in piccoli pezzi, aumenti la sua superficie ed esponi più proprietà reattive del catalizzatore. Ma anche, quando rompi i catalizzatori al di sotto dei 10 nanometri, le loro proprietà elettroniche cambiano drasticamente. Diventano improvvisamente molto reattivi. In definitiva, vuoi andare al passaggio successivo, e scompongono i catalizzatori in singoli atomi."

La sfida è che i singoli atomi non si comportano come catalizzatori più grandi; a loro non piace stare da soli, e possono causare reazioni collaterali indesiderate. Per utilizzare in modo efficace catalizzatori a singolo atomo, gli scienziati devono identificare la perfetta combinazione di un forte, metallo reattivo e stabile, ambiente complementare.

Ora, i ricercatori hanno identificato singoli atomi di platino come un efficiente catalizzatore per rompere i legami carbonio-fluoro. Il platino è un metallo particolarmente forte, ed è in grado di scindere il gas idrogeno in singoli atomi di idrogeno, un passo fondamentale verso la rottura del legame carbonio-fluoro.

"Il nostro team di Yale ha recentemente sviluppato un metodo facilmente scalabile per sintetizzare catalizzatori a singolo atomo in due semplici passaggi, " disse Kim. "In primo luogo, leghiamo i metalli per ancorare i siti su un materiale di supporto, quindi fotoriduciamo i metalli a singoli atomi sotto blanda irradiazione UV-C. Usando questo metodo, il nostro gruppo ha sintetizzato una suite di catalizzatori a singolo atomo che coinvolgono vari metalli (platino, palladio, e cobalto) e supporti (carburo di silicio, nitruro di carbonio, e biossido di titanio) per numerose reazioni catalitiche. In questo lavoro, abbiamo scoperto che singoli atomi di platino caricati sul carburo di silicio sono straordinariamente efficaci nel catalizzare la scissione del legame carbonio-fluoruro e nell'abbattere i contaminanti come i PFAS".

Imaging di singoli atomi

Per visualizzare il loro nuovo catalizzatore e valutarne le prestazioni, 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. Scansionando una sonda elettronica sul campione, 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."