En este artículo, exploraremos los recientes avances en el uso de catalizadores de un solo átomo (SAC) para la purificación del agua. Analizaremos cómo estos catalizadores, especialmente los de hierro, pueden mejorar la eficiencia y la selectividad en los procesos avanzados de oxidación con peroximonosulfato (PMS). También revisaremos los descubrimientos recientes sobre los mecanismos de activación del PMS y su impacto en la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). Estos avances prometen optimizar el tratamiento del agua, ofreciendo soluciones más eficaces y rentables.
Importancia de los catalizadores de un solo átomo
La creciente industrialización global ha provocado la liberación de contaminantes tóxicos en el medio ambiente, amenazando seriamente los ecosistemas acuáticos y la salud humana. Los procesos avanzados de oxidación basados en peroximonosulfato (PMS-AOP) son técnicas prometedoras para tratar estos contaminantes tóxicos. Utilizando diversas especies reactivas de oxígeno (ROS), los AOP buscan oxidar o incluso mineralizar contaminantes orgánicos recalcitrantes y tóxicos.
Dentro de estas técnicas, los catalizadores de un solo átomo (SAC) han ganado atención significativa debido a su capacidad para maximizar la eficiencia catalítica. Estos catalizadores poseen sitios activos uniformes y bien definidos, lo que permite una activación más efectiva y selectiva de los agentes oxidantes como el PMS. La singularidad de los SAC radica en su estructura atómica que maximiza la utilización de átomos y minimiza el desperdicio de material catalítico. Esto no solo mejora la eficiencia del proceso, sino que también reduce los costos asociados con la purificación del agua.
Los catalizadores de un solo átomo destacan por su alta eficiencia y reducción de costes en la purificación del agua.
La aplicación de SAC en la purificación del agua es particularmente beneficiosa debido a su capacidad para generar ROS de manera controlada. Estas especies reactivas son esenciales para descomponer contaminantes orgánicos complejos que son difíciles de eliminar mediante métodos convencionales. Además, los SAC pueden ser diseñados para ser altamente selectivos, lo que significa que pueden dirigirse específicamente a ciertos contaminantes sin afectar a otros componentes presentes en el agua. Esta selectividad es crucial para evitar la formación de subproductos nocivos durante el proceso de tratamiento.
Recientemente, un equipo de investigación liderado por el Prof. Shaobin Wang de la Universidad de Adelaide, Australia, y el Prof. Hui Zhang de la Universidad de Wuhan, China, ha elucidado los mecanismos de activación del PMS por catalizadores de hierro de un solo átomo. Han identificado las relaciones entre las estructuras geométricas y electrónicas de los centros de Fe de un solo átomo y la producción selectiva de diferentes especies reactivas/vías. Los resultados se publicaron en el Chinese Journal of Catalysis.
El equipo investigador ha revelado los mecanismos de activación del PMS
Mecanismos de activación del PMS
La activación del PMS por sitios de un solo átomo generalmente procede en tres pasos. El primer paso es la adsorción de HSO5- en el centro de Fe de un solo átomo con diferentes alineaciones moleculares. El segundo paso implica la transferencia de carga entre el centro activo de Fe y el HSO5- adsorbido, lo que resulta en un cambio en la densidad de carga e incluso en la ruptura del enlace O-O del HSO5-. El tercer paso es el desprendimiento del HSO5- activado mediante una liberación espontánea de especies reactivas (como radicales libres y 1O2) o la descomposición de especies unidas a la superficie con otros sustratos para regenerar el sitio activo.
Debido a la complejidad de la activación del PMS, que incluye múltiples pasos y generación de ROS con varios intermediarios de reacción, se producen diversas ROS incluso en un sitio singular de Fe atómico. Mientras que las herramientas teóricas pueden determinar eficientemente la estructura de adsorción de PMS energéticamente óptima, la generación final de ROS específicas requiere una energía libre de reacción moderada en cada paso de reacción. Por lo tanto, el control de la selectividad de ROS requiere gestionar tanto la energía de adsorción del PMS como la energía libre de reacción de los pasos elementales cruciales.
La activación del PMS es compleja, produciendo diversas ROS que requieren gestión energética precisa en cada paso.
Regular la estructura electrónica del sitio activo es una forma efectiva de gobernar la actividad de activación del PMS y la selectividad de ROS. Esto implica un aumento moderado de la densidad de carga de los sitios de Fe mediante la construcción de sitios Fe–N2–O2 y Fe–N5 para aumentar la generación de 1O2 y FeIV=O, así como un sitio Fe–N3 para la generación del complejo catalizador-PMS*. Un mayor aumento de la densidad de carga mediante sitios Fe–N3–P1 y Fe–N4 (N pirrólico) favorece la generación de radicales.
Conclusión
El estudio proporciona una comprensión profunda de los mecanismos de activación del PMS por catalizadores de hierro de un solo átomo. Identificar las relaciones entre la estructura geométrica y electrónica de los centros de Fe y la producción selectiva de especies reactivas es crucial. Esta investigación abre nuevas vías para optimizar los catalizadores de un solo átomo en procesos avanzados de oxidación para la purificación del agua.
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