作者:赖斯大学的杰德·博伊德 一个艺术家的光激活天线-反应器催化剂的插图，莱斯大学的工程师设计用来打破碳氟化合物中的碳氟键
粒子的铝部分(白色和粉色)从光(绿色)中捕获能量，激活钯催化剂岛(红色)
在插图中，由一个碳原子(黑色)、三个氢原子(灰色)和一个氟原子(浅蓝色)组成的氟甲烷分子(顶部)与钯表面(黑色)附近的氘(黄色)分子反应，裂解碳氟键，产生氟化氘(右侧)和单氘甲烷(底部)
信用:H
robatjazi/莱斯大学 莱斯大学的工程师创造了一种光动力催化剂，可以打破碳氟化合物中的强化学键，碳氟化合物是一种合成材料，含有持久性环境污染物
在本月发表在《自然催化》杂志上的一项研究中，纳米光子学先驱、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)和普林斯顿大学的合作者莱斯·内奥米·哈拉斯(Naomi Halas)和他的同事们发现，点缀着钯微粒的微小铝球可以通过一种被称为加氢脱氟的催化过程破坏碳氟键，在这种过程中，氟原子被氢原子取代
碳氟键的强度和稳定性是20世纪一些最知名的化学品牌背后的原因，包括特氟隆、氟利昂和史考特
但是当碳氟化合物进入空气、土壤和水中时，这些键的强度就成问题了
例如，含氯氟烃在20世纪80年代被国际条约禁止，因为它们被发现破坏了地球的保护臭氧层，其他碳氟化合物被列入2001年条约的“永久化学品”名单
“修复任何含氟化合物最困难的部分是破坏碳氟键；这需要大量的能量，”工程师兼化学家哈拉斯说，他的纳米光子学实验室(LANP)专门创造和研究与光相互作用的纳米粒子
在过去的五年里，哈拉斯和他的同事们开创了制造“天线反应堆”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广泛使用，但它们通常用于需要高温、高压或两者兼有的高能耗过程
例如，在化工厂的高压容器中插入一个催化材料网，燃烧天然气或其他化石燃料来加热流经该网的气体或液体
LANP的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
在自然催化研究中，能量捕获天线是一个比活细胞小的铝粒子，而反应器是分散在铝表面的钯岛
天线反应堆催化剂的节能特性也许可以通过哈拉斯之前的另一项成功得到最好的说明:太阳能蒸汽
2012年，她的团队展示了它的能量收集颗粒可以立即蒸发它们表面附近的水分子，这意味着哈拉斯和他的同事可以在不烧水的情况下制造蒸汽
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
天线-反应器催化剂设计允许哈拉斯的团队混合和匹配最适合捕捉光和催化特定环境下反应的金属
这项工作是绿色化学运动的一部分，旨在实现更清洁、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分解氨生产氢燃料的催化剂
这项研究的主要作者侯赛因·罗巴特加齐是贝克曼在UCSB的博士后研究员，他获得了博士学位
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赖斯于2019年毕业，他在哈拉斯实验室的研究生学习期间进行了大部分研究
他说这个项目也显示了跨学科合作的重要性
“我去年完成了实验，但我们的实验结果有一些有趣的特征，光照下反应动力学的变化，这提出了一个重要但有趣的问题:光在促进碳氟化合物断裂化学中起什么作用？”他说
答案是在Robatjazi抵达UCSB进行博士后研究之后得出的
他的任务是开发一个微观动力学模型，来自模型和普林斯顿合作者进行的理论计算的综合见解有助于解释令人困惑的结果
“通过这个模型，我们利用传统催化中表面科学的视角，将实验结果与光下反应路径和反应性的变化唯一地联系起来，”他说
氟甲烷的演示实验可能只是碳氟裂解催化剂的开始
“这种普遍的反应可能有助于修复许多其他类型的氟化分子，”哈拉斯说
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