布鲁克海文国家实验室科学家Eli Stavitski在NSLS-II的内壳层光谱光束线上展示，研究人员对单个原子催化剂的物理和化学复杂性进行了成像，这种催化剂打破了碳氟键。来源：布鲁克海文国家实验室
包括耶鲁大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室(DOE)的研究人员在内的一个国际科学家小组，开发了一种新的催化剂，用于破坏碳-氟键，这是已知的最强的化学键之一。这一发现发表在9月10日的《ACS催化》杂志上，
是对环境修复和化学合成领域的一个突破。
耶鲁大学化学与环境工程系教授Jaehong Kim说：“我们的目标是开发一种能够降解多氟烷基物质（PFAS）的技术，PFAS是当今最具挑战性的污染修复问题之一。”PFAS在全世界范围内被广泛检测，从北极生物群到人体，并且受污染地下水中的浓度在很多地区显著超过管制限度。目前，没有有效的方法来破坏这些污染物。我们与布鲁克海文实验室的合作目的是通过利用单原子催化剂的独特性质来解决这个问题。”
合成更小、更有效的催化剂
为了优化催化剂（引发或加速化学反应的物质）的效率，科学家们将它们分解成小块，一直到纳米材料。最近，
科学家们已经开始将催化剂分解得更小，超出纳米尺度，变成单个原子。
布鲁克海文科学家Eli Stavitski说：“表面是催化剂反应的唯一部分。”所以，如果你把催化剂分解成小块，就增加了它的表面积，释放出更多的催化剂反应性能。而且，
当催化剂低于10纳米时，它们的电子特性会发生巨大的变化，会突然变得非常活跃。最后，我们想进入下一步，把催化剂分解成单个原子。
挑战在于，单个原子的行为与较大的催化剂不同；它们不容易单独存在，并且可能导致不希望的副反应发生。为了有效地使用单原子催化剂，科学家们必须确定强而活性的金属以及稳定、互补的环境。
现在，研究人员已经鉴定出铂的单原子是一种有效的打破碳氟键的催化剂。铂是一种特别强的金属，它能够将氢气分解成单个氢原子，这是打破碳-氟键的关键步骤。
Kim说：“我们耶鲁团队最近开发出一种简单易行的合成单原子催化剂的方法。”首先，我们将金属结合到支撑材料上的锚定位点上，然后在温和的UV-C照射下将金属光还原成单个原子。使用这种方法，我们的小组已经合成了一套单原子催化剂，涉及各种金属（铂、钯和钴）和载体（碳化硅、氮化碳和二氧化钛），用于许多催化反应。在本研究中，我们发现单铂原子负载在碳化硅上，在催化碳-氟键断裂和降解PFAS等污染物方面具有显著的效果。”
单原子成像
为了可视化他们的新催化剂并评估性能，科学家们来到了位于布鲁克海文实验室的两个DOE办公室，功能纳米材料中心（CFN）和国家同步辐射光源II（NSLS-II）。
世界级工具提供了免费的技术，我们可以看到这个令人难以置信的微小催化剂。
在CFN，科学家们用先进的透射电子显微镜（TEM）获得了铂原子的特写图。通过电子探针扫描样品，科学家们能够看到碳化硅载体上离散的铂原子。
“这项研究提供了一个黄金标准，显示多峰表征如何有助于理解单原子催化剂的基本反应机理” Huolin Xin说，他是CFN的前科学工作人员，现在是加州大学的教授。
相比于CFN可以提供更小催化剂、更集中的视图，NSLS-II使研究人员能够更广泛地了解催化剂及其周围环境。
“我们在NSLS-II上有一种技术，叫做X射线吸收光谱，它对催化剂的状态和周围的环境特别敏感，”Stavitski说，他也是NSLS-II内壳光谱仪（ISS）波束线的科学家，这项研究是在那里进行的。
通过将NSLS-II的超亮X射线照射到催化剂上，
并使用ISS观察光如何与样品及其环境相互作用，科学家能够“看到”单原子催化剂是如何构建的。
ISS的研究是NSLS-II与耶鲁大学战略伙伴关系的一部分，说明了大学和工业界与布鲁克海文实验室合作来解决他们的研究挑战。
“我们正在寻求一些战略伙伴关系，以加强我们与附近机构的联系，并利用美国东北部的巨大智库和专业知识，”NSLS-II科学副局长Qun Shen说。耶鲁大学教师群体就是这方面的一个很好的例子。我们很高兴看到这种情况开始见效。”
文章来自phys网站，原文题目为Single atoms break carbon's strongest bond，由材料科技在线汇总整理。
