Одноатомные катализаторы помогают удалять органические загрязнители. В ходе нового исследования ученые узнали больше об их работе и как создавать их дешевле и проще. Исследователи из Токийского столичного университета изучили работу одноатомных катализаторов на основе железо-пиридиновых участков в углеродной матрице.

Сначала они разработали новый, простой метод синтеза катализатора, который активирует пероксимоносульфат. Это высокоэффективное соединение, которое помогает в разрушении загрязняющих веществ, которые не поддаются биологическому разложению. В ходе исследования ученые обнаружили, что участки железа в высокоспиновом состоянии сильно коррелируют с характеристиками катализатора благодаря двум различным химическим путям.

В мире полно полезных синтетических химикатов, некоторые из них полезные, а другие — опасные. Особое беспокойство у экспертов вызывает класс загрязняющих веществ, известные как тугоплавкие органические вещества. Они не поддаются биологическому разложению и долго сохраняются в окружающей среде. Вот почему эффективные стратегии удаления или разложения в потоках сточных вод очень важны.

Ученые пытались разработать эффективные катализаторы, которые помогают расщеплять вредные тугоплавкие загрязнители. Перспективным считается одноатомный катализатор, в котором атомы металла равномерно диспергированы в матрице углерода. Включение железа сделает технологию дешевой и нетоксичной. Тем не менее, несмотря на демонстрации в лаборатории, такой катализатор по-прежнему сложно производить, а механизм их работы остается неясным.

Теперь японские ученые разработали простой метод производства одноатомных катализаторов с железо-пиридиновыми участками (это железо, окруженное четырьмя атомами азота), которые «встроены» в углеродные листы.

Основываясь на пиролизе, разложении и рекомбинации химических веществ с использованием тепла, химики измельчили каркасы оксидов металлов вместе с меламином и нагрели смесь в инертной атмосфере при температуре выше 500 °C. Оказалось, что при активации с пероксимоносульфатом, распространенным окислителем, вещество эффективно удаляет загрязняющие вещества, например, бисфенол А (BPA).

Также ученые обнаружили, что у катализаторов, которые изготовили разными способами, отличается эффективность. Используя экспериментальный метод мессбауэровской спектроскопии они изучили состояние участков пиридина железа в разных партиях. Ученые обнаружили сильную корреляцию между высокоспиновыми состояниями Fe(ll) и Fe(lll) и эффективностью катализатора. Оказалось, что высокоспиновые состояния пиридина железа активируются по двум различным механизмам: либо за счет образования гидроксильных радикалов из-за пероксимоносульфата, либо за счет образования комплекса Fе(V)-O.

Ученые надеются, что эта новая технология и простой метод изготовления одноатомного катализатора, будет чаще применяться в реальных системах очистки сточных вод и в работе по очистке окружающей среды.