Pendant deux décennies, manipuler des matériaux à l'échelle nanométrique pour développer des catalyseurs efficaces pour diverses applications, y compris le traitement de l'eau, a été l'étalon-or dans le domaine. Mais une nouvelle étude va encore plus petit - jusqu'à un seul atome, la limite théorique de la réduction des effectifs. Et les résultats montrent une grande amélioration de l'efficacité, avec de nouvelles propriétés surprenantes qui ne peuvent pas être atteintes par les nanomatériaux.

L'étude, dirigé par le laboratoire de Jaehong Kim, le professeur Henry P. Becton Sr. et chaire de génie chimique et environnemental, était une collaboration entre Yale, Université de l'État d'Arizona, et le Laboratoire national de Brookhaven. Il a été publié cette semaine dans Communication Nature .

En ce qui concerne les catalyseurs de traitement de l'eau, qui sont utilisés pour décomposer les polluants, plus petit c'est mieux. C'est parce qu'il augmente la surface, ce qui augmente sa cinétique. Mais les nanomatériaux, aussi petits soient-ils, ont encore des amas d'atomes enfouis sous la surface qui ne sont pas utilisés.

Pour l'étude, les chercheurs ont synthétisé un seul atome de palladium sur un substrat de carbure de silicium. Ce nouveau système catalytique a considérablement amélioré la cinétique de destruction des polluants chlorés nocifs dans l'eau. Le faible coût du système est également essentiel à son succès. Le coût du palladium et d'autres matériaux ayant des propriétés catalytiques intéressantes a été prohibitif dans le développement de systèmes de traitement de l'eau rentables.

"Si vous cassez un catalyseur de palladium coûteux jusqu'à une limite d'un seul atome, soudainement, il devient si bon marché qu'il ouvre de nouvelles opportunités, en particulier pour des applications telles que le traitement de l'eau sensible aux coûts, ", a déclaré Kim.

Une propriété particulièrement précieuse de l'atome de palladium est sa sélectivité lors de la décomposition des substances. C'est crucial car si un catalyseur qui se décompose plus qu'il n'en a besoin, c'est-à-dire substances non toxiques, cela gaspillera de l'énergie. Mais le palladium au niveau d'un seul atome brise sélectivement les liaisons carbone-halogène avec une sélectivité de près de 100 %, tout en laissant intact le reste de la molécule. Une sélectivité aussi élevée n'est pas possible avec des nanoparticules de palladium, qui sont la norme actuelle de l'industrie.

Avec tous ces avantages par rapport au catalyseur nanomatériau standard, Kim a déclaré que l'étude marque une "avancée assez importante dans le domaine du traitement de l'eau".

« Cela augmente non seulement la cinétique et réduit considérablement le coût, cela signifie que nous pouvons pour la première fois procéder à la destruction sélective des polluants pour le traitement de l'eau, ", a déclaré Kim.

Pour tirer parti de leur percée, les chercheurs travaillent à l'intégration du matériau dans un réacteur d'hydrogénation et une cellule électrochimique pour réaliser un système modulaire de traitement de l'eau ciblant divers polluants, avec un accent particulier sur les halogénés anthropiques, matières organiques toxiques, y compris les produits chimiques PFAS.