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由于其相当高的效率，仅由几个原子制成的催化剂在水处理领域显示出巨大的前景。在一项新的研究中，研究人员研究了如何优化这些催化剂的性能并使其可用于实际使用。

由Jaehong Kim教授领导的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

在过去的几十年中，纳米级催化剂在水处理领域引起了广泛的关注。纳米级材料具有许多独特而有益的特性。最近，研究人员一直在探索单原子催化剂的可能性。这些催化剂甚至比纳米材料更小，可以提供更高的效率。

“我们以前没有这种能力，但现在我们基本上是将单原子金属逐个原子加载到基板上，”化学与环境工程高级教授Henry P. Becton Sr.的Kim说。“这很好，因为你可以利用所有的原子。

效率至关重要，因为通常用于催化剂的材料可能非常昂贵。例如，钯(目前每盎司约2，000美元)是一种经常用于催化剂的金属。快速比较显示了为什么单原子催化剂引起了如此多的兴趣。在纳米级形式中，50纳米的钯金成本约为37美元，占地约250平方米。超过2%的原子暴露在表面。相比之下，在单原子形式中，钯的成本仅为17美分，覆盖超过50个足球场的区域。而且在效率方面，您无法击败它，表面的原子暴露率为 100%。

单原子催化剂的一个局限性是某些条件会降低其催化性能。作为解决方案，研究人员现在已经开始创建由一小簇原子组成的催化剂，称为集合。这些团簇不是构成纳米材料的数千个原子，而是只包含三四个原子。“但它们表现出更像单个原子的特性，因为它们是如此小的团簇，并且原子都暴露在表面，”Kim说。

由于这种材料设计仍然相对较新，研究人员仍在寻找控制这些集成结构特性并优化其性能的最佳方法。例如，完全分离的单原子催化剂可以通过在金属周围添加某些元素来增强。Kim和他的研究小组调查了原子系综是否可以被类似地操纵。他们的论文是第一个探索这样做的可能性的论文。

Kim使用钯原子集合创建了一个带有催化剂的系统，旨在减少水中的致癌物溴酸盐。他们将非金属元素硫，氮和硼引入原子集合的周围。总体结果表明，该系统的催化性能有所提高。Kim说，这是一个有希望的迹象，特别是因为水处理需要尽可能具有成本效益。

“最终，我们希望有一种高效的设备，具有这种催化剂来破坏水中的污染物，因为它将比其他材料设计便宜得多，效率更高，”他说。