賴斯大學(xué)的工程師創(chuàng)造了一種輕型催化劑，可以打破碳氟化合物中的強(qiáng)化學(xué)鍵，碳氟化合物是包括持久性環(huán)境污染物的一組合成材料。

在本月發(fā)表在《自然催化》上的一項(xiàng)研究中，萊斯納米光子學(xué)的先驅(qū)Naomi Halas和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)和普林斯頓大學(xué)的合作者表明，點(diǎn)綴有鈀的鋁細(xì)小球會(huì)破壞碳氟(CF)通過稱為加氫脫氟的催化過程形成氫鍵，其中氟原子被氫原子取代。

CF鍵的強(qiáng)度和穩(wěn)定性落后于20世紀(jì)最知名的一些化學(xué)品牌，包括特富龍，氟利昂和蘇格蘭威士忌。但是，當(dāng)碳氟化合物進(jìn)入空氣，土壤和水中時(shí)，這些鍵的強(qiáng)度可能會(huì)成問題。例如，在發(fā)現(xiàn)氯氟化碳破壞了地球的臭氧保護(hù)層之后，1980年代國際條約禁止使用其氟氯化碳，而其他碳氟化合物則被列入2001年條約所針對(duì)的“永遠(yuǎn)的化學(xué)物質(zhì)”清單中。

“修復(fù)任何含氟化合物的最困難的部分是破壞CF鍵;它需要大量能量，”工程師兼化學(xué)家Halas說，他的納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LANP)專門研究和研究與氟原子相互作用的納米顆粒。光。

在過去的五年中，Halas及其同事開創(chuàng)了制造可刺激或加速化學(xué)反應(yīng)的“天線反應(yīng)器”催化劑的方法。盡管催化劑在工業(yè)中被廣泛使用，但它們通常用于需要高溫，高壓或兩者的高能耗工藝中。例如，將催化材料的網(wǎng)孔插入化工廠的高壓容器中，并燃燒天然氣或另一種化石燃料以加熱流過該網(wǎng)孔的氣體或液體。LANP的天線反應(yīng)器通過捕獲光能并將其直接插入催化反應(yīng)點(diǎn)來極大地提高了能效。

在自然催化研究中，能量捕獲天線是比活細(xì)胞小的鋁顆粒，反應(yīng)堆是散布在鋁表面的鈀島。天線反應(yīng)器催化劑的節(jié)能特性也許可以通過Halas先前的另一項(xiàng)成功加以說明：太陽能蒸汽。2012年，她的團(tuán)隊(duì)展示了其能量收集顆粒可以立即蒸發(fā)其表面附近的水分子，這意味著Halas和同事可以在不沸水的情況下產(chǎn)生蒸汽。為了證明這一點(diǎn)，他們證明了他們可以從冰冷的水中產(chǎn)生蒸汽。

天線反應(yīng)器催化劑的設(shè)計(jì)使Halas的團(tuán)隊(duì)可以混合和匹配最適合在特定情況下捕獲光和催化反應(yīng)的金屬。這項(xiàng)工作是綠色化學(xué)向更清潔，更高效的化學(xué)過程邁進(jìn)的一部分，并且LANP先前已證明了用于生產(chǎn)乙烯和合成氣以及將氨分解以生產(chǎn)氫燃料的催化劑。

研究的主要作者Hossein Robatjazi，他是UCSB的貝克曼博士后研究員，獲得了博士學(xué)位。他于2019年從賴斯(Rice)畢業(yè)，在哈拉斯實(shí)驗(yàn)室(Halas's Lab)進(jìn)行研究生研究期間進(jìn)行了大部分研究。他說，該項(xiàng)目還顯示了跨學(xué)科合作的重要性。

“我去年完成了實(shí)驗(yàn)，但是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一些有趣的特征，即在光照下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的變化，這提出了一個(gè)重要但有趣的問題：光在促進(jìn)CF斷裂化學(xué)中起什么作用?”他說。

答案是在Robatjazi到達(dá)UCSB從事博士后經(jīng)歷之后得出的。他的任務(wù)是開發(fā)微動(dòng)力學(xué)模型，普林斯頓大學(xué)合作者進(jìn)行的模型計(jì)算和理論計(jì)算得出的見解相結(jié)合，有助于解釋令人困惑的結(jié)果。

他說：“有了這個(gè)模型，我們利用了傳統(tǒng)催化中表面科學(xué)的觀點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反應(yīng)路徑的變化和在光下的反應(yīng)性進(jìn)行了獨(dú)特的聯(lián)系。”

在氟甲烷上的示范性實(shí)驗(yàn)可能只是CF分解催化劑的開始。

哈拉斯說：“這種一般反應(yīng)對(duì)于補(bǔ)救許多其他類型的氟化分子可能是有用的。”