莱斯大学实验室揭示了可以打破有问题的C-F键的催化剂
莱斯大学的工程师们发明了一种可以打破氟碳化合物中强化学键的轻型催化剂。氟碳化合物是一组合成材料，包括持久性环境污染物。
由artist’s设计的由莱斯大学工程师设计的光激活天线反应器催化剂，用于破坏氟碳化合物中的碳氟键。粒子的铝部分(白色和粉红色)从光中捕获能量(绿色)，激活钯催化剂岛(红色)。在插图中，氟甲烷分子(上)由一个碳原子(黑色)、三个氢原子(灰色)和一个氟原子(浅蓝色)与靠近钯表面(黑色)的氘(黄色)分子反应，裂解碳-氟键生成氟化氘(右)和单氘化甲烷(下)。(图片由H. Robatjazi/莱斯大学提供)
在本月发表的一项研究在自然催化、大米纳米光子学先锋Naomi Halas和合作者在加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)和普林斯顿大学显示微小的球体的铝点缀着斑点的钯可以打破氟(氟)债券通过催化过程称为hydrodefluorination氟原子取代的氢原子。
C-F键的强度和稳定性是20世纪y’一些最知名的化学产品的原因，包括特氟隆、氟利昂和Scotchgard。但当氟碳化合物进入空气、土壤和水中时，这些化学键的强度就会出现问题。例如，在发现氟氯化碳会破坏地球6037的保护性臭氧层后，它们在20世纪80年代被国际条约禁止，其他氟碳化合物也被列入2001年条约规定的永久化学物质6034 – 6036的清单中。
修复任何含氟化合物最困难的部分是破坏C-F键;”说，这需要大量的能量。哈拉斯是一位工程师和化学家，他的纳米光子学实验室(LANP)专门研究与光相互作用的纳米粒子。
在过去的5年里，Halas和他的同事们首创了制造“antenna- reacor ”催化剂的方法，这种催化剂可以刺激或加速化学反应。虽然催化剂在工业上得到广泛应用，但它们通常用于需要高温、高压或两者兼有的高耗能过程。例如，催化材料的网状物被插入化工厂的高压容器中，然后燃烧天然气或其他化石燃料来加热流经网状物的气体或液体。LANP’s天线反应器通过捕获光能并将其直接插入催化反应点，极大地提高了能源效率。
娜奥米·哈拉斯(Naomi Halas)是莱斯大学(Rice University)的工程师和化学家，她花了超过25年的时间，在光活化纳米材料的应用方面做了开拓性的工作。(Jeff Fitlow/莱斯大学)
在自然催化研究中，能量捕捉天线是一个比活细胞还小的铝粒子，而反应器是分散在铝表面的钯岛。Halas’之前的另一个成功案例——太阳能蒸汽——或许最能说明天线反应器催化剂的节能特性。2012年，她的团队展示了它的能量收集粒子可以立即蒸发表面附近的水分子，这意味着Halas和她的同事可以在不煮沸水的情况下产生蒸汽。为了说明这一点，他们展示了他们可以用冰冷的水制造蒸汽。
该天线反应器催化剂设计允许Halas’团队混合和匹配金属，最适合捕捉光和催化反应在特定的环境。这项研究是绿色化学运动的一部分，该运动的目标是更清洁、更高效的化学过程。LANP此前已经展示了生产乙烯和合成气以及裂解氨生产氢燃料的催化剂。
该研究的第一作者Hossein Robatjazi是UCSB的贝克曼博士后研究员，他于2019年在莱斯大学获得博士学位，在Halas’实验室进行了大量的研究。他表示，该项目也显示了跨学科合作的重要性。
Hossein Robatjazi是加州大学圣巴巴拉分校贝克曼博士后研究员。(照片由H. Robatjazi/UCSB提供)
“I去年完成了实验，但是我们的实验结果有一些有趣的特点，改变了光照下的反应动力学，这就提出了一个重要但有趣的问题:光在促进C-F破坏化学中起什么作用?”他说。
答案是在Robatjazi到UCSB做博士后之后。他的任务是开发一个微观动力学模型，结合模型和普林斯顿合作者进行的理论计算，帮助解释了令人困惑的结果。
他说:“有了这个模型，我们利用了传统催化中的表面科学的观点，独特地将实验结果与反应途径和光下反应活性的变化联系起来。”
氟甲烷示范实验可能只是断碳氟催化剂的开始。
” Halas说，这种一般反应可能对修复许多其他类型的氟化分子有用。
Halas是水稻’s布朗工程学院电子和计算机工程的Stanley C. Moore教授，水稻’s小旋度研究所所长，同时也是化学、生物工程、物理和天文学以及材料科学和纳米工程的教授。
其他共同作者包括张明、周立南和彼得·诺德兰德，他们都来自水稻;鲍卢卡斯，前普林斯顿大学，现波士顿学院;艾米丽·卡特，前普林斯顿大学，现加州大学洛杉矶分校;还有UCSB的Phillip Christopher。
这项研究得到了空军科学研究办公室、国防威胁减少署、韦尔奇基金会和阿诺德和梅布尔·贝克曼基金会的支持。
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