کاتالیزور‌های تک اتمی برای تصفیه آب طراحی شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، کاتالیزور‌هایی که تنها از چند اتم ساخته شده‌اند، به دلیل کارایی بالا، پتانسیل بالایی در زمینه تصفیه آب دارند. در یک مطالعه جدید، دانشمندان چگونگی بهبود عملکرد این کاتالیزور‌ها و امکان‌پذیر ساختن آن‌ها برای کاربرد‌های عملی را تجزیه و تحلیل کردند.

در چند سال گذشته، کاتالیزور‌های نانومقیاس تمرکز زیادی در زمینه تصفیه آب پیدا کرده‌اند. اخیراً دانشمندان پتانسیل کاتالیزور‌های تک اتمی را کشف کرده‌اند. علیرغم اینکه این کاتالیزور‌ها کوچکتر از نانومواد هستند، می‌توانند کارایی بسیار بیشتری داشته باشند.

جائهونگ کیم و هنری بکتون از محققان این پروژه هستند که در دانشکده مهندسی شیمی و محیط زیست دانشگاه ییل فعالیت دارند. کیم می‌گوید: «ما قبلاً این قابلیت را نداشتیم، اما اکنون اساساً فلزات تک اتمی را، اتم به اتم، روی بستر بارگذاری می‌کنیم و این عالی است، زیرا می‌توانید از تمام اتم استفاده کنیم.»

یک مقایسه سریع نشان می‌دهد که چرا کاتالیزور‌های تک اتمی کنجکاوی زیادی ایجاد کرده‌اند. در مقیاس نانو، ۵۰ نانومتر پالادیوم برای اشغال منطقه‌ای حدود ۲۵۰ متر مربع حدود ۳۷ دلار هزینه دارد. در سطح، کمی بیش از ۲٪ از اتم‌های آن در معرض تماس با ماده هدف قرار دارند. برعکس، پالادیوم برای اشغال منطقه‌ای بزرگتر از ۵۰ زمین فوتبال به شکل تک اتمی فقط ۱۷ سنت هزینه دارد. با قرار گرفتن ۱۰۰٪ اتم‌ها در سطح در معرض مولکول هدف، نمی‌توان کارایی آن‌ها را هیچ چیز دیگری مقایسه کرد.

یکی از اشکالات کاتالیزور‌های تک اتمی این است که برخی شرایط می‌توانند عملکرد کاتالیزوری آن‌ها را کاهش دهند. برای حل آن، دانشمندان اکنون شروع به توسعه کاتالیزور‌هایی کرده‌اند که از یک خوشه کوچک از اتم‌ها تشکیل شده است. این خوشه‌ها به جای هزاران اتم که نانومواد را می‌سازند، تنها از سه یا چهار اتم تشکیل شده‌اند. آن‌ها بیشتر شبیه یک اتم منفرد هستند، زیرا یک خوشه کوچک هستند و اتم‌ها همه در سطح قرار دارند.

دانشمندان هنوز راه‌های ایده‌آلی برای تنظیم خواص این ساختار‌ها و افزایش عملکرد آن‌ها پیدا نکرده‌اند، زیرا این طراحی مواد حتی در حال حاضر نسبتاً جدید است. مطالعه آن‌ها اولین مطالعه‌ای است که پتانسیل انجام این کار را بررسی می‌کند.

کیم سیستمی با یک کاتالیزور با مجموعه‌ای از اتم‌های پالادیوم ساخت که برای احیاء برومات سرطان‌زا در آب ساخته شده است. آن‌ها عناصر غیرفلزی نیتروژن، گوگرد و بور را در کنار مجموعه‌های اتمی معرفی کردند. یافته‌های کلی افزایش عملکرد کاتالیزوری سیستم را توصیه می‌کنند. کیم گفت که این نتایج امیدوارکننده است، به ویژه به این دلیل که تصفیه آب باید تا حد امکان ارزان باشد.