Per due decenni, manipolazione di materiali su scala nanometrica per sviluppare catalizzatori efficienti per varie applicazioni, compreso il trattamento delle acque, è stato il gold standard nel campo. Ma un nuovo studio va ancora più piccolo, fino a un singolo atomo, il limite teorico nel ridimensionamento del materiale. E i risultati mostrano un grande miglioramento dell'efficienza, con sorprendenti nuove proprietà che non possono essere raggiunte dai nanomateriali.

Lo studio, guidato dal laboratorio di Jaehong Kim, il Professore Henry P. Becton Sr. e Cattedra di Ingegneria Chimica e Ambientale, era una collaborazione tra Yale, Università statale dell'Arizona, e il laboratorio nazionale di Brookhaven. È stato pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Quando si tratta di catalizzatori per il trattamento delle acque, che vengono utilizzati per abbattere gli inquinanti, più piccolo è meglio. Questo perché aumenta la superficie, che ne aumenta la cinetica. Ma i nanomateriali piccoli come sono, hanno ancora gruppi di atomi sepolti sotto la superficie che rimangono inutilizzati.

Per lo studio, i ricercatori hanno sintetizzato un singolo atomo di palladio su un substrato di carburo di silicio. Questo nuovo sistema catalitico ha notevolmente migliorato la cinetica di distruzione degli inquinanti clorurati nocivi nell'acqua. Anche il basso costo del sistema è fondamentale per il suo successo. La spesa del palladio e di altri materiali con preziose proprietà di catalizzatore è stata proibitiva nello sviluppo di sistemi di trattamento dell'acqua convenienti.

"Se rompi il costoso catalizzatore di palladio fino al limite di un singolo atomo, all'improvviso, diventa così economico da aprire nuove opportunità, soprattutto per applicazioni come il trattamento dell'acqua sensibile ai costi, " ha detto Kim.

Una proprietà particolarmente preziosa dell'atomo di palladio è la sua selettività nella scomposizione delle sostanze. Questo è fondamentale perché se un catalizzatore si rompe più del necessario, cioè, sostanze non tossiche:sprecherà energia. Ma il palladio a livello di singolo atomo rompe selettivamente i legami carbonio-alogeno con quasi il 100% di selettività, lasciando intatto il resto della molecola. Una selettività così elevata non è possibile con le nanoparticelle di palladio, che sono l'attuale standard del settore.

Con tutti questi vantaggi rispetto al catalizzatore nanomateriale standard, Kim ha detto che lo studio segna un "avanzamento piuttosto importante nel campo del trattamento delle acque".

"Questo non solo aumenta la cinetica e riduce drasticamente il costo, significa che possiamo effettuare per la prima volta la distruzione selettiva degli inquinanti per il trattamento delle acque, " ha detto Kim.

Per costruire sulla loro svolta, i ricercatori stanno lavorando per integrare il materiale in un reattore di idrogenazione e in una cella elettrochimica per realizzare un sistema modulare di trattamento dell'acqua mirato a vari inquinanti, con particolare attenzione agli alogenati antropici, sostanze organiche tossiche, compresi i prodotti chimici PFAS.