Gli ingegneri della Rice University hanno creato un catalizzatore alimentato dalla luce in grado di rompere i forti legami chimici nei fluorocarburi, un gruppo di materiali sintetici che include inquinanti ambientali persistenti.

In uno studio pubblicato questo mese in Catalisi della natura , Naomi Halas, pioniera della nanofotonica del riso, e collaboratori dell'Università della California, Santa Barbara (UCSB) e la Princeton University hanno dimostrato che minuscole sfere di alluminio punteggiate da granelli di palladio potrebbero rompere i legami carbonio-fluoro (C-F) tramite un processo catalitico noto come idrodefluorurazione in cui un atomo di fluoro viene sostituito da un atomo di idrogeno.

La forza e la stabilità dei legami C-F sono alla base di alcuni dei marchi chimici più riconoscibili del XX secolo, compreso teflon, Freon e Scotchgard. Ma la forza di quei legami può essere problematica quando i fluorocarburi entrano nell'aria, suolo e acqua. Clorofluorocarburi, o CFC, Per esempio, sono stati banditi da un trattato internazionale negli anni '80 dopo che si è scoperto che stavano distruggendo lo strato protettivo di ozono della Terra, e altri fluorocarburi erano nell'elenco dei "prodotti chimici per sempre" presi di mira da un trattato del 2001.

"La parte più difficile della bonifica dei composti contenenti fluoro è rompere il legame C-F; richiede molta energia, "disse Halas, un ingegnere e chimico il cui Laboratorio di Nanofotonica (LANP) è specializzato nella creazione e nello studio di nanoparticelle che interagiscono con la luce.

Negli ultimi cinque anni, Halas e colleghi hanno sperimentato metodi per creare catalizzatori "antenna-reattore" che stimolano o accelerano le reazioni chimiche. Sebbene i catalizzatori siano ampiamente utilizzati nell'industria, sono tipicamente utilizzati in processi ad alta intensità energetica che richiedono alte temperature, alta pressione o entrambi. Per esempio, una rete di materiale catalitico viene inserita in un recipiente ad alta pressione in un impianto chimico, e il gas naturale o un altro combustibile fossile viene bruciato per riscaldare il gas o il liquido che scorre attraverso la rete. I reattori antenna LANP migliorano notevolmente l'efficienza energetica catturando l'energia luminosa e inserendola direttamente nel punto della reazione catalitica.

Nel Catalisi della natura studio, l'antenna che cattura l'energia è una particella di alluminio più piccola di una cellula vivente, ei reattori sono isole di palladio sparse sulla superficie di alluminio. La caratteristica di risparmio energetico dei catalizzatori antenna-reattore è forse meglio illustrata da un altro dei precedenti successi di Halas:il vapore solare. Nel 2012, il suo team ha mostrato che le sue particelle che raccolgono energia potrebbero vaporizzare istantaneamente le molecole d'acqua vicino alla loro superficie, il che significa che Halas e colleghi potevano produrre vapore senza far bollire l'acqua. Per portare a casa il punto, hanno dimostrato di poter produrre vapore dall'acqua ghiacciata.

Il design del catalizzatore antenna-reattore consente al team di Halas di mescolare e abbinare i metalli più adatti per catturare la luce e catalizzare le reazioni in un contesto particolare. Il lavoro fa parte del movimento della chimica verde verso un più pulito, processi chimici più efficienti, e LANP ha precedentemente dimostrato catalizzatori per la produzione di etilene e syngas e per la scissione dell'ammoniaca per produrre combustibile a idrogeno.

L'autore principale dello studio Hossein Robatjazi, un Beckman Postdoctoral Fellow presso la UCSB che ha conseguito il dottorato di ricerca. da Riso nel 2019, ha condotto la maggior parte della ricerca durante i suoi studi universitari nel laboratorio di Halas. Ha detto che il progetto mostra anche l'importanza della collaborazione interdisciplinare.

"Ho finito gli esperimenti l'anno scorso, ma i nostri risultati sperimentali avevano alcune caratteristiche interessanti, modifiche alla cinetica di reazione sotto illuminazione, che ha sollevato una domanda importante ma interessante:che ruolo gioca la luce per promuovere la chimica di rottura C-F?" ha detto.

Le risposte sono arrivate dopo che Robatjazi è arrivato per la sua esperienza post-dottorato alla UCSB. È stato incaricato di sviluppare un modello microcinetico, e una combinazione di intuizioni dal modello e da calcoli teorici eseguiti dai collaboratori di Princeton ha aiutato a spiegare i risultati sconcertanti.

"Con questo modello, abbiamo utilizzato la prospettiva della scienza delle superfici nella catalisi tradizionale per collegare in modo univoco i risultati sperimentali ai cambiamenti del percorso di reazione e della reattività alla luce, " Egli ha detto.

Gli esperimenti dimostrativi sul fluorometano potrebbero essere solo l'inizio per il catalizzatore di rottura C-F.

"Questa reazione generale può essere utile per rimediare a molti altri tipi di molecole fluorurate, "ha detto Hala.