Une équipe internationale de scientifiques, dont des chercheurs de l'Université de Yale et du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), a développé un nouveau catalyseur pour briser les liaisons carbone-fluor, l'une des liaisons chimiques les plus fortes connues. La découverte, publié le 10 septembre dans Catalyse ACS , est une percée pour les efforts en matière d'assainissement de l'environnement et de synthèse chimique.

« Nous voulions développer une technologie capable de dégrader les substances polyfluoroalkylées (PFAS), l'un des problèmes de dépollution les plus difficiles à l'heure actuelle, " a déclaré Jaehong Kim, professeur au département de génie chimique et environnemental de l'Université de Yale. "Les PFAS sont largement détectés dans le monde entier, du biote arctique au corps humain, et les concentrations dans les eaux souterraines contaminées dépassent largement la limite réglementaire dans de nombreux domaines. Actuellement, il n'existe aucune méthode éconergétique pour détruire ces contaminants. Notre collaboration avec Brookhaven Lab vise à résoudre ce problème en tirant parti des propriétés uniques des catalyseurs à atome unique."

Synthétiser plus petit, catalyseurs plus efficaces

Pour optimiser l'efficacité des catalyseurs, substances qui initient ou accélèrent les réactions chimiques, les scientifiques les décomposent en plus petits morceaux, jusqu'aux nanomatériaux. Et récemment, les scientifiques ont commencé à décomposer encore plus les catalyseurs, au-delà de l'échelle nanométrique et en atomes uniques.

"La seule partie d'un catalyseur qui est réactive est sa surface, " a déclaré le scientifique de Brookhaven Eli Stavitski. " Alors, si vous brisez un catalyseur en petits morceaux, vous augmentez sa surface et exposez davantage les propriétés réactives du catalyseur. Mais aussi, lorsque vous cassez des catalyseurs en dessous de 10 nanomètres, leurs propriétés électroniques changent radicalement. Ils deviennent soudainement très réactifs. Finalement, vous voulez passer à l'étape suivante, et décomposer les catalyseurs en atomes individuels."

Le défi est que les atomes individuels ne se comportent pas de la même manière que des catalyseurs plus gros; ils n'aiment pas rester seuls, et ils peuvent provoquer des réactions secondaires indésirables. Pour utiliser efficacement les catalyseurs à un seul atome, les scientifiques doivent identifier la combinaison parfaite d'un métal réactif et un stable, environnement complémentaire.

Maintenant, les chercheurs ont identifié des atomes uniques de platine comme un catalyseur efficace pour rompre les liaisons carbone-fluor. Le platine est un métal particulièrement fort, et il est capable de diviser l'hydrogène gazeux en atomes d'hydrogène individuels, une étape clé vers la rupture de la liaison carbone-fluor.

"Notre équipe à Yale a récemment développé une méthode facilement évolutive pour synthétiser des catalyseurs à un seul atome en deux étapes simples, " dit Kim. " D'abord, nous lions les métaux aux sites d'ancrage sur un matériau support, puis nous photoréduisons les métaux en atomes simples sous une légère irradiation UV-C. En utilisant cette méthode, notre groupe a synthétisé une suite de catalyseurs à un seul atome impliquant divers métaux (platine, palladium, et cobalt) et supports (carbure de silicium, nitrure de carbone, et dioxyde de titane) pour de nombreuses réactions catalytiques. Dans ce travail, nous avons découvert que des atomes de platine uniques chargés sur du carbure de silicium étaient remarquablement efficaces pour catalyser le clivage des liaisons carbone-fluorure et décomposer les contaminants comme le PFAS. »

Imagerie d'atomes isolés

To visualize their new catalyst and assess its performance, the scientists came to two DOE Office of Science User Facilities at Brookhaven Lab—the Center for Functional Nanomaterials (CFN) and the National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). The world-class tools at each facility provided complimentary techniques for seeing this incredibly small catalyst.

At CFN, the scientists used an advanced transmission electron microscope (TEM) to get a close-up view of the platinum atoms. By scanning an electron probe over the sample, the scientists were able to visualize discrete platinum atoms on the silicon carbide support.

"This research offers a golden standard for showing how multimodal characterization can contribute to the understanding of fundamental reaction mechanisms of single atom catalysts, " said Huolin Xin, a former scientific staff member at CFN and now a professor at University of California.

Compared to the smaller, more focused view of the catalyst that CFN could provide, NSLS-II enabled the researchers to get a broader view of the catalyst and its surrounding environment.

"We have a technique at NSLS-II, called X-ray absorption spectroscopy, that is uniquely sensitive to the state of the catalyst and the environment surrounding it, " said Stavitski, who is also a beamline scientist at NSLS-II's Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamline, where the research was conducted.

By shining NSLS-II's ultrabright X-ray light onto the catalyst and using ISS to see how the light interacted with the sample and its environment, the scientists were able to "see" how the single-atom catalyst was built.

The research at ISS was part of NSLS-II's strategic partnership with Yale University, and illustrates how universities and industry can work with Brookhaven Lab to solve their research challenges.

"We are pursuing a number of strategic partnerships to strengthen our connections with nearby institutions and to leverage the tremendous intellectual power and expertise in the northeastern U.S., " said Qun Shen, the NSLS-II Deputy Director for Science. "Yale faculty groups are an excellent example in this regard. We are happy to see this is starting to bear fruit."