Water zuiveren met slechts enkele atomen

Vanwege hun aanzienlijke efficiëntie zijn katalysatoren gemaakt van slechts enkele atomen veelbelovend op het gebied van waterbehandeling. In een nieuwe studie hebben onderzoekers gekeken hoe ze de prestaties van deze katalysatoren kunnen optimaliseren en ze levensvatbaar kunnen maken voor praktisch gebruik.

De resultaten van de studie, geleid door prof. Jaehong Kim, zijn gepubliceerd in de Procedures van de National Academy of Sciences.

In de afgelopen decennia hebben katalysatoren op nanoschaal veel aandacht gekregen op het gebied van waterbehandeling. Materialen op nanoschaal hebben tal van unieke en gunstige eigenschappen te bieden. Meer recentelijk hebben onderzoekers de mogelijkheden van katalysatoren met één atoom onderzocht. Deze katalysatoren zijn nog kleiner dan nanomaterialen en kunnen zelfs nog efficiënter zijn.

“Vroeger hadden we deze mogelijkheid niet, maar nu laden we in feite metalen met één atoom, atoom voor atoom, op het substraat”, zegt Kim, de Henry P. Becton Sr. Professor of Chemical & Environmental Engineering. “En dat is geweldig, want je kunt het hele atoom gebruiken.”

Efficiëntie is van cruciaal belang omdat de materialen die gewoonlijk voor katalysatoren worden gebruikt, erg duur kunnen zijn. Palladium bijvoorbeeld (momenteel voor ongeveer $ 2.000 per ounce) is een metaal dat vaak wordt gebruikt voor katalysatoren. Een snelle vergelijking laat zien waarom katalysatoren met één atoom zo veel belangstelling hebben gewekt. Op nanoschaal kost 50 nanometer palladium ongeveer $ 37 om een ​​oppervlakte van ongeveer 250 vierkante meter te bedekken. Iets meer dan 2% van zijn atomen is zichtbaar aan het oppervlak. In de vorm van één atoom daarentegen kost palladium slechts 17 cent om een ​​gebied van meer dan 50 voetbalvelden te beslaan. En je kunt het niet verslaan voor efficiëntie, met 100% atoomblootstelling aan het oppervlak.

Een beperking van de katalysatoren met één atoom is dat bepaalde omstandigheden hun katalytische prestaties kunnen verminderen. Als oplossing daarvoor zijn onderzoekers nu begonnen met het maken van katalysatoren die bestaan ​​uit een kleine cluster van atomen, ook wel ensembles genoemd. In plaats van de duizenden atomen waaruit een nanomateriaal bestaat, bevatten deze clusters slechts drie of vier atomen. “Maar ze vertonen eigenschappen die meer op een enkel atoom lijken, omdat ze zo’n kleine cluster zijn en de atomen allemaal aan de oppervlakte zichtbaar zijn”, zei Kim.

Omdat dit materiaalontwerp nog relatief nieuw is, zoeken onderzoekers nog steeds naar de beste manieren om de eigenschappen van deze ensemblestructuren te beheersen en hun prestaties te optimaliseren. Zo kunnen volledig geïsoleerde katalysatoren met één atoom worden verbeterd door bepaalde elementen rond de metalen toe te voegen. Kim en zijn onderzoeksteam onderzochten of atomensembles op dezelfde manier kunnen worden gemanipuleerd. Hun paper is de eerste die de mogelijkheden om dit te doen onderzoekt.

Kim creëerde een systeem met een katalysator met behulp van een ensemble van palladiumatomen, ontworpen om het kankerverwekkende bromaat in water te verminderen. Ze introduceerden de niet-metalen elementen zwavel, stikstof en boor in de omgeving van atoomensembles. De algemene resultaten suggereerden een verbetering van de katalytische prestaties van het systeem. Het is een veelbelovend teken, zei Kim, vooral omdat waterbehandeling zo kosteneffectief mogelijk moet zijn.

“Uiteindelijk hopen we een zeer efficiënt apparaat te hebben dat deze katalysator heeft om verontreinigende stoffen in water te vernietigen, omdat het zoveel goedkoper en efficiënter zal zijn dan andere materiaalontwerpen, ” zei hij.