El enfoque basado en datos acelera el desarrollo del catalizador de un solo átomo para la purificación del agua

Todos los humanos necesitan agua limpia para vivir. Sin embargo, la purificación del agua puede ser intensiva en energía y, por lo tanto, existe un gran interés en mejorar este proceso. Investigadores de la Universidad de Tohoku han informado recientemente una estrategia utilizando predicciones basadas en datos junto con una síntesis precisa para acelerar el desarrollo de catalizadores de átomos únicos (SAC) para una purificación de agua más robusta y eficiente.

El estudio es publicado en Angewandte Chemie International Edition.

Los SAC son uno de los catalizadores más cruciales. Desempeñan un papel fundamental en la mejora de la eficiencia en diversas aplicaciones, incluidas las industrias químicas, la conversión de energía y los procesos ambientales. Para la purificación del agua en particular, los SAC pueden superar las limitaciones de los catalizadores heterogéneos tradicionales, como la cinética, la selectividad catalítica y la estabilidad, un enfoque prometedor para el avance de las tecnologías de purificación de agua eficientes y sostenibles.

Sin embargo, el desarrollo de los SAC con frecuencia emplea métodos de prueba y error que requieren mucho tiempo, y los métodos de síntesis típicos a menudo carecen de un alto nivel de control. Para evitar un proceso que esencialmente implica tomar tomas en la oscuridad, los investigadores adoptaron un enfoque basado en datos donde predijeron de manera rápida y precisa qué SACS tendría el mejor rendimiento antes de comenzar a hacerlos. Compararon 43 metales-n₄ Estructuras que comprenden la transición y los elementos de metal de grupo principal utilizando un método de plantilla dura.

Después de esta estrategia, determinaron que el mejor candidato era un FE-SAC bien diseñado con una alta carga de Fe-Pyridine-N₄ Sitios (~ 3.83%en peso) y una estructura altamente mesoporosa. Exhibió con éxito el rendimiento de la descontaminación ultra alta (tasa constante de 100.97 min^-1 gramo^-2).

«El FE-SAC optimizado también puede operar continuamente durante 100 horas», el profesor asociado de comentarios Hao Li de WPIAMR, «hasta donde sabemos, esto representa una de las mejores actuaciones de purificación de aguas residuales en catalizadores similares a los fentones, que son reactivos utilizados Para la purificación del agua, informado hasta ahora «.

Los cálculos de la teoría funcional de densidad revelaron el mecanismo subyacente: el SAC redujo la barrera de energía del paso de determinación de la velocidad, que es la formación intermedia de O*. Esto dio como resultado la generación altamente selectiva de oxígeno singlete, que se ha demostrado que descompone los contaminantes para ayudar a purificar el agua.

Para asegurarse de que la predicción basada en datos haya seleccionado con precisión a este «mejor» candidato, el equipo de investigación observó el N₄ Estructuras de otros cinco metales (Fe, Co, Ni, Cu y Mn) con diferentes actividades teóricas. Confirmaron que FE-SAC realmente exhibió el rendimiento más excelente de Fenton entre los cinco SACS seleccionados, acordando bien la predicción basada en datos.

La estrecha integración de un método basado en datos con una estrategia de síntesis precisa proporciona un nuevo paradigma para el rápido desarrollo de catalizadores de alto rendimiento para campos ambientales y otros campos que involucran energía y catálisis sostenibles. En el futuro, los investigadores tienen como objetivo desarrollar un flujo de trabajo eficiente y fácil de usar para el diseño rápido y efectivo de catalizadores.

Aquellos interesados ​​en incorporar el método en su propio trabajo pueden ver los datos experimentales y las estructuras computacionales en la plataforma de catálisis digital (Digcat): La base de datos de catálisis experimental más grande informada hasta la fecha, desarrollada por el laboratorio Hao Li.