آب برای زندگی ضروری است، اما فرایند تصفیه آب می‌تواند انرژی‌بر باشد و این موضوع موجب توجه و علاقه‌مندی به بهبود این فرآیند شده است. پژوهشگران دانشگاه توهوکو راهبرد جدیدی برای توسعه کاتالیست‌های تک‌اتمی (SACs) به‌منظور تصفیه بهینه آب ارائه داده‌اند. این رویکرد مبتنی بر پیش‌بینی‌های داده‌محور و سنتز دقیق، به تسریع فرآیند توسعه این کاتالیزگرها و افزایش کارایی تصفیه آب کمک می‌کند.
استفاده از رویکرد مبتنی بر داده برای سنتز کاتالیست‌های تک‌اتمی جهت تصفیه آب
کاتالیست‌های تک‌اتمی یکی از مهم‌ترین کاتالیست‌ها در فرآیندهای صنعتی و محیطی هستند. این کاتالیزورها نقشی کلیدی در بهبود کارایی فرآیندهای مختلف از جمله صنایع شیمیایی، تبدیل انرژی و فرآیندهای زیست‌محیطی ایفا می‌کنند. به‌طور خاص در تصفیه آب، کاتالیست‌های تک‌اتمی می‌توانند محدودیت‌های کاتالیست‌های هتروژن سنتی مانند سرعت واکنش، انتخاب‌پذیری کاتالیزگری و پایداری را برطرف کنند و راه را برای پیشرفت فناوری‌های تصفیه آب پایدار و کارآمد هموار سازند.
با این حال، توسعه کاتالیست‌های تک‌اتمی معمولاً از روش‌های زمان‌بر و آزمون و خطا استفاده می‌کند و روش‌های سنتزی معمول معمولاً فاقد دقت کافی هستند. پژوهشگران برای جلوگیری از چنین روندی که شبیه به تلاش‌های کور است، از یک رویکرد مبتنی بر داده استفاده کردند که در آن پیش‌بینی‌های سریع و دقیقی از کاتالیست‌های تک‌اتمی با بهترین عملکرد به‌دست آوردند و سپس فرآیند ساخت آن‌ها را آغاز کردند. این تیم ۴۳ ساختار فلزی N4 شامل فلزات انتقالی و فلزات گروه اصلی را با استفاده از روش قالب سخت مورد بررسی قرار دادند.
نتایج این تحقیق نشان داد که بهترین گزینه، کاتالیزورهای تک‌اتمی آهن (Fe-SAC) است که دارای میزان بالایی از سایت‌های Fe-pyridine-N4 و ساختار فوق‌منافذ است. این کاتالیزورها موفق به نمایش عملکرد بسیار بالا در تصفیه آب شدند. نتایج محاسبات نظری نشان می‌دهند که مکانیسم عملکرد این کاتالیزورها به‌این‌صورت است که کاتالیست تک‌اتمی، مانع از افزایش انرژی موانع مرحله کلیدی واکنش می‌شود. این فرآیند موجب تولید انتخابی نوعی گونه مهم اکسیژن تک‌چرخشی می‌شود که به‌طور مؤثر آلودگی‌ها را تجزیه و تصفیه آب را تسهیل می‌کند.
برای اطمینان از صحت پیش‌بینی داده‌محور، این تیم تحقیقاتی پنج ساختار فلزی دیگر (یعنی Fe، Co، Ni، Cu، و Mn) را با فعالیت‌های نظری مختلف مقایسه کرد. آن‌ها تأیید کردند که کاتالیزورهای Fe-SAC واقعاً بهترین عملکرد را در بین کاتالیست‌های مشابه از خود نشان داده است و این نتیجه با پیش‌بینی داده‌محور هم‌خوانی دارد.
این رویکرد ترکیب شده بین روش‌های داده‌محور و سنتز دقیق، یک الگوی نوین برای توسعه سریع کاتالیست‌های با عملکرد بالا در زمینه‌های محیط‌زیستی و سایر حوزه‌هایی که به انرژی پایدار و کاتالیز نیاز دارند، ایجاد کرده است. پژوهشگران به‌دنبال توسعه یک روند کاری مؤثر و کاربرپسند برای طراحی سریع و کارآمد کاتالیزگرها هستند.
