Tutti gli umani hanno bisogno di acqua pulita per vivere. Tuttavia, la purificazione dell’acqua può essere ad alta intensità di energia, quindi c’è un grande interesse a migliorare questo processo. I ricercatori dell’Università di Tohoku hanno riportato una strategia utilizzando previsioni basate sui dati abbinati a una sintesi precisa per accelerare lo sviluppo di catalizzatori a atomi singoli (SAC) per una purificazione dell’acqua più robusta ed efficiente.
Le sacche sono uno dei catalizzatori più cruciali. Svolgono un ruolo fondamentale nel migliorare l’efficienza in diverse applicazioni tra cui industrie chimiche, conversione energetica e processi ambientali. Per la purificazione dell’acqua in particolare, i SAC possono superare i limiti di catalizzatori eterogenei tradizionali come la cinetica, la selettività catalitica e la stabilità, che apportano un modo promettente per il progresso di tecnologie di purificazione dell’acqua efficienti e sostenibili.
Tuttavia, lo sviluppo di SACS impiega spesso metodi di prova ed errori che richiedono tempo e i tipici metodi di sintesi spesso mancano di un alto livello di controllo. Per evitare un processo che implica essenzialmente prendere colpi al buio, i ricercatori hanno adottato un approccio basato sui dati in cui prevedevano rapidamente e accuratamente quali SAC avrebbero avuto le migliori prestazioni prima ancora di iniziare a farli. Hanno confrontato 43 metalli-N4 Strutture che comprendono elementi metallici di transizione e di gruppo principale utilizzando un metodo a template dura.
Seguendo questa strategia, hanno stabilito che il miglior candidato era un Fe-SAC ben progettato con un alto carico di siti Fe-piridina-N4 (~ 3,83%in peso) e struttura altamente mesoporosa. Ha mostrato con successo prestazioni di decontaminazione ultra-alta (costante di velocità di 100,97 minuti-1 G-2).
“Il Fe-SAC ottimizzato può anche operare continuamente per 100 ore”, osserva il professor Hao Li di WPI-AIMR “, questo rappresenta una delle migliori prestazioni della purificazione delle acque reflue sui catalizzatori simili a Fenton-che sono reagenti Utilizzato per la purificazione dell’acqua – riportato finora. “
I calcoli della teoria funzionale della densità hanno rivelato che il meccanismo sottostante era che il SAC ha ridotto la barriera energetica della fase di determinazione della velocità, che è la formazione di O* intermedia. Ciò ha comportato la generazione altamente selettiva di ossigeno singoletto, che ha dimostrato di abbattere gli inquinanti per aiutare a purificare l’acqua.
Per assicurarsi che la previsione basata sui dati avesse selezionato accuratamente questo candidato “migliore”, il team di ricerca ha esaminato altre cinque strutture Metals-N4 (cioè, Fe, CO, NI, Cu e MN) con diverse attività teoriche. Hanno confermato che Fe-SAC ha mostrato davvero le prestazioni più eccellenti di Fenton tra le cinque SAC selezionate, concordando bene con la previsione basata sui dati.
La stretta integrazione di un metodo basato sui dati con una strategia di sintesi precisa fornisce un nuovo paradigma per il rapido sviluppo di catalizzatori ad alte prestazioni per i campi ambientali e altri campi che coinvolgono energia e catalisi sostenibili. Andando avanti, mirano a sviluppare un flusso di lavoro efficiente e intuitivo per la progettazione rapida ed efficace dei catalizzatori.
Coloro che sono interessati a incorporare il metodo nel proprio lavoro possono visualizzare i dati sperimentali e le strutture computazionali nella piattaforma di catalisi digitale (DigCAT): il più grande database di catalisi sperimentale riportato fino ad oggi, sviluppato dal laboratorio Hao Li. I risultati sono stati anche pubblicati in Angewandte Chemie International Edition il 31 gennaio 2025.
L’articolo di elaborazione (APC) è stato supportato dal programma di supporto dell’Università di Tohoku.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
