由于其相当高的效率，仅由几个原子制成的催化剂在水处理领域显示出巨大的前景。在一项新研究中，研究人员研究了如何优化这些催化剂的性能并使它们在实际应用中可行。
由JaehongKim教授领导的这项研究的结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
在过去的几十年中，纳米级催化剂在水处理领域引起了广泛关注。纳米级材料具有许多独特而有益的特性。最近，研究人员一直在探索单原子催化剂的可能性。这些催化剂甚至比纳米材料还小，但可以提供更高的效率。
“我们以前没有这种能力，但现在我们基本上是将单原子金属逐个原子地加载到基板上，”HenryP.Becton化学与环境工程高级教授Kim说。“那太好了，因为你可以利用所有的原子。”
效率至关重要，因为通常用于催化剂的材料可能非常昂贵。例如，钯(目前每盎司约2,000美元)是一种常用于催化剂的金属。一个快速的比较说明了为什么单原子催化剂引起了如此大的兴趣。以纳米形式，50纳米的钯成本约为37美元，可覆盖约250平方米的面积。超过2%的原子暴露在表面。相比之下，单原子形式的钯金仅需17美分即可覆盖50个足球场以上的面积。而且您无法在效率方面击败它，表面100%原子暴露。
单原子催化剂的一个局限性是某些条件会降低它们的催化性能。作为解决方案，研究人员现在已经开始制造包含一小群原子的催化剂，称为合奏。而不是构成纳米材料的数千个原子，这些团簇只包含三个或四个原子。“但它们表现出更像单个原子的特性，因为它们是一个很小的团簇，而且原子都暴露在表面，”Kim说。
由于这种材料设计仍然相对较新，研究人员仍在寻找控制这些整体结构的特性并优化其性能的最佳方法。例如，可以通过在金属周围添加某些元素来增强完全隔离的单原子催化剂。Kim和他的研究团队调查了原子系综是否可以被类似地操纵。他们的论文是第一个探索这样做的可能性的论文。
Kim创建了一个使用钯原子集合催化剂的系统，旨在减少水中的致癌物质溴酸盐。他们将非金属元素硫、氮和硼引入到原子团簇的周围。总体结果表明系统的催化性能有所提高。这是一个有希望的迹象，Kim说，特别是因为水处理需要尽可能具有成本效益。
他说：“最终，我们希望拥有一种高效装置，该装置具有这种催化剂来破坏水中的污染物，因为它将比其他材料设计更便宜、更高效。”
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