Zbog svoje značajne efikasnosti, katalizatori napravljeni od samo nekoliko atoma pokazuju veliko obećanje u oblasti tretmana vode. U novoj studiji, istraživači su istraživali kako da optimizuju performanse ovih katalizatora i učine ih održivim za praktičnu upotrebu.
Rezultati studije, koju je vodio prof. Jaehong Kim, objavljeni su u Proceedings of the National Academi of Sciences.
U poslednjih nekoliko decenija, katalizatori nanorazmera su privukli veliku pažnju u oblasti tretmana vode. Materijali na nanorazmeri imaju brojne jedinstvene i korisne osobine koje mogu ponuditi. U skorije vreme, istraživači su istraživali mogućnosti katalizatora sa jednim atomom. Čak i manji od nanomaterijala, ovi katalizatori mogu ponuditi još veću efikasnost.
„Ranije nismo imali ovu mogućnost, ali sada u osnovi učitavamo metale sa jednim atomom, atom po atom, na supstrat“, rekao je Kim, Henri P. Bekton stariji profesor hemijskog inženjerstva i inženjerstva zaštite životne sredine. „I to je sjajno, jer možete da iskoristite sav atom.“
Efikasnost je kritična jer materijali koji se obično koriste za katalizatore mogu biti veoma skupi. Na primer, paladijum (trenutno košta oko 2.000 dolara po unci) je metal koji se često koristi za katalizatore. Brzo poređenje pokazuje zašto su katalizatori sa jednim atomom izazvali toliko interesovanja. U obliku nanorazmera, 50 nanometara paladijuma košta oko 37 dolara da pokrije površinu od oko 250 kvadratnih metara. Nešto više od 2% njegovih atoma je izloženo na površini. U obliku jednog atoma, nasuprot tome, paladijum košta samo 17 centi da pokrije površinu veću od 50 fudbalskih terena. I ne možete ga nadmašiti po efikasnosti, sa 100% izloženošću atoma na površini.
Jedno ograničenje katalizatora sa jednim atomom je da određeni uslovi mogu umanjiti njihove katalitičke performanse. Kao rešenje za to, istraživači su sada počeli da stvaraju katalizatore koji se sastoje od malog klastera atoma, poznatih kao ansambli. Umesto hiljada atoma koji čine nanomaterijal, ovi klasteri sadrže samo tri ili četiri atoma. „Ali oni pokazuju svojstva više kao jedan atom jer su tako mali klaster, a atomi su svi izloženi na površini“, rekao je Kim.
Pošto je ovaj dizajn materijala još uvek relativno nov, istraživači još uvek pronalaze najbolje načine da kontrolišu svojstva ovih ansambl struktura i optimizuju njihove performanse. Na primer, potpuno izolovani katalizatori sa jednim atomom mogu se poboljšati dodavanjem određenih elemenata oko metala. Kim i njegov istraživački tim su istraživali da li se atomskim ansamblima može manipulisati na sličan način. Njihov rad je prvi koji istražuje mogućnosti za to.
Kim je stvorio sistem sa katalizatorom koristeći ansambl atoma paladijuma, dizajniran da smanji kancerogen bromat u vodi. Oni su uveli nemetalne elemente sumpor, azot i bor u okruženje atomskih ansambala. Ukupni rezultati ukazuju na poboljšanje katalitičkih performansi sistema. To je obećavajući znak, rekla je Kim, posebno zato što tretman vode mora biti što je moguće isplativiji.
„Na kraju krajeva, nadamo se da ćemo imati visoko efikasan uređaj koji ima ovaj katalizator za uništavanje zagađivača u vodi, jer će biti mnogo jeftiniji i efikasniji od dizajna drugih materijala“, rekao je on.
