二十年来，在纳米尺度上操纵材料以开发用于各种应用(包括水处理)的高效催化剂一直是该领域的黄金标准。但一项新的研究甚至更小——缩小到单个原子，这是材料缩小尺寸的理论极限。结果表明效率有了很大提高，具有纳米材料无法实现的令人惊讶的新特性。

该研究由耶鲁大学、亚利桑那州立大学和布鲁克海文国家实验室合作，由 Henry P. Becton 高级教授兼化学与环境工程系主任 Jaehong Kim 的实验室领导。它于本周发表在Nature Communications 上。

当涉及到水处理的催化剂，这是用来分解污染物，越小越好。那是因为它增加了表面积，从而增加了它的动力学。但是，尽管纳米材料如此之小，其表面下仍然有未使用的原子簇。

在这项研究中，研究人员在碳化硅衬底上合成了一个钯原子。这种新的催化系统显着改善了破坏水中有害氯化污染物的动力学。该系统的低成本也是其成功的关键。在开发具有成本效益的水处理系统时，钯和其他具有宝贵催化剂特性的材料的费用令人望而却步。

“如果你将昂贵的钯催化剂分解到单原子限制，突然之间，它变得如此便宜，它开辟了新的机会，特别是对于成本敏感的水处理等应用，”金说。

钯原子的一项特别有价值的特性是它在分解物质时的选择性。这很重要，因为如果一种催化剂分解得比它需要的多——即无毒物质——那将是在浪费能源。但是单原子水平的钯以近 100% 的选择性选择性地分解碳 - 卤素键，同时保持分子的其余部分完整。钯纳米颗粒不可能实现如此高的选择性，而钯纳米颗粒是当前的行业标准。

凭借与标准纳米材料催化剂相比的所有这些优势，Kim 表示，这项研究标志着“水处理领域的一项非常重要的进步”。

“这不仅增加了动力学并大大降低了成本，这意味着我们可以第一次对水处理进行选择性污染物破坏，”金说。

为了取得突破，研究人员正致力于将这种材料集成到加氢反应器和电化学电池中，以制造针对各种污染物的模块化水处理系统，特别关注人为卤化、有毒有机物，包括 PFAS 化学品。