Tous les humains ont besoin d'eau propre pour vivre. Cependant, la purification de l'eau peut être à forte intensité d'énergie et, par conséquent, il y a un grand intérêt à améliorer ce processus. Des chercheurs de l'Université de Tohoku ont récemment signalé une stratégie utilisant des prédictions basées sur les données associées à une synthèse précise pour accélérer le développement de catalyseurs à atomes uniques (SAC) pour une purification d'eau plus robuste et plus efficace.
L'étude est publiée dans Édition internationale d'Angewandte Chemie.
Les SAC sont l'un des catalyseurs les plus cruciaux. Ils jouent un rôle central dans l'amélioration de l'efficacité dans diverses applications, notamment les industries chimiques, la conversion d'énergie et les processus environnementaux. Pour la purification de l'eau en particulier, les SAC peuvent surmonter les limites des catalyseurs hétérogènes traditionnels tels que la cinétique, la sélectivité catalytique et la stabilité – une approche prometteuse de l'avancement des technologies efficaces et durables de purification de l'eau.
Cependant, le développement de SAC utilise fréquemment des méthodes de temps et d'erreur qui prennent du temps, et les méthodes de synthèse typiques n'ont souvent pas de haut niveau de contrôle. Pour éviter un processus qui implique essentiellement de prendre des photos dans l'obscurité, les chercheurs ont adopté une approche basée sur les données où ils prédisaient rapidement et avec précision quels sacs auraient les meilleures performances avant même de commencer à les fabriquer. Ils ont comparé 43 métaux-n4 Structures comprenant la transition et les principaux éléments métalliques du groupe à l'aide d'une méthode de flux dur.
Suite à cette stratégie, ils ont déterminé que le meilleur candidat était un FE-SAC bien conçu avec une charge élevée de Fe-pyridine-n4 Sites (~ 3,83% en poids) et une structure hautement mésoporeuse. Il a réussi une performance de décontamination ultra-élevée (constante de taux de 100,97 min-1 g-2).
« Le FE-SAC optimisé peut également fonctionner en continu pendant 100 heures », remarque le professeur agrégé Hao Li de WPI-AIMR « , à notre connaissance, cela représente l'une des meilleures performances de la purification des eaux usées sur les catalyseurs de type Fenton – qui sont des réactifs utilisés pour la purification de l'eau – déclarée jusqu'à présent. «
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont révélé le mécanisme sous-jacent: le SAC a réduit la barrière énergétique de l'étape déterminante du taux, qui est une formation intermédiaire O *. Cela a abouti à la génération hautement sélective d'oxygène singulet, qui s'est avéré décomposer les polluants pour aider à purifier l'eau.
Pour s'assurer que la prédiction axée sur les données avait sélectionné avec précision ce « meilleur » candidat, l'équipe de recherche a examiné le N4 Structures de cinq autres métaux (Fe, Co, Ni, Cu et MN) avec différentes activités théoriques. Ils ont confirmé que FE-SAC présentait vraiment les performances les plus excellentes de Fenton parmi les cinq sacs sélectionnés, étant bien d'accord avec la prédiction basée sur les données.
L'intégration étroite d'une méthode basée sur les données avec une stratégie de synthèse précise fournit un nouveau paradigme pour le développement rapide de catalyseurs à haute performance pour les champs environnementaux, et d'autres domaines qui impliquent une énergie et une catalyse durables. À l'avenir, les chercheurs visent à développer un flux de travail efficace et convivial pour la conception rapide et efficace des catalyseurs.
Les personnes intéressées à intégrer la méthode dans leur propre travail peuvent voir les données expérimentales et les structures de calcul dans la plate-forme de catalyse numérique (DIGCAT): la plus grande base de données de catalyse expérimentale rapportée à ce jour, développée par le laboratoire Hao Li.
