賴斯大學的工程師創(chuàng)造了一種輕型催化劑，可以打破碳氟化合物中的強化學鍵，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》上的一項研究中，萊斯納米光子學的先驅(qū)Naomi Halas和加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)和普林斯頓大學的合作者表明，點綴有鈀的鋁細小球會破壞碳氟(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鍵的強度和穩(wěn)定性落后于20世紀最知名的一些化學品牌，包括特富龍，氟利昂和蘇格蘭威士忌。但是，當碳氟化合物進入空氣，土壤和水中時，這些鍵的強度可能會成問題。例如，在發(fā)現(xiàn)氯氟化碳破壞了地球的臭氧保護層之后，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年條約所針對的“永遠的化學物質(zhì)”清單中。

“修復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，”工程師兼化學家Halas說，他的納米光子學實驗室(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反應的“天線反應器”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的天線反應器通過捕獲光能并將其直接插入催化反應點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胞小的鋁顆粒，反應堆是散布在鋁表面的鈀島。天線反應器催化劑的節(jié)能特性也許可以通過Halas先前的另一項成功加以說明：太陽能蒸汽。2012年，她的團隊展示了其能量收集顆?？梢粤⒓凑舭l(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，他們證明了他們可以從冰冷的水中產(chǎn)生蒸汽。

天線反應器催化劑的設(shè)計使Halas的團隊可以混合和匹配最適合在特定情況下捕獲光和催化反應的金屬。這項工作是綠色化學向更清潔，更高效的化學過程邁進的一部分，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，獲得了博士學位。他于2019年從賴斯(Rice)畢業(yè)，在哈拉斯實驗室(Halas's Lab)進行研究生研究期間進行了大部分研究。他說，該項目還顯示了跨學科合作的重要性。

“我去年完成了實驗，但是我們的實驗結(jié)果具有一些有趣的特征，即在光照下反應動力學的變化，這提出了一個重要但有趣的問題：光在促進CF斷裂化學中起什么作用?”他說。

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

他說：“有了這個模型，我們利用了傳統(tǒng)催化中表面科學的觀點，將實驗結(jié)果與反應路徑的變化和在光下的反應性進行了獨特的聯(lián)系。”

在氟甲烷上的示范性實驗可能只是CF分解催化劑的開始。

哈拉斯說：“這種一般反應對于補救許多其他類型的氟化分子可能是有用的。”