美國科學家在為醫院和治療設施提供更安全的無氯水消毒方面邁出了重要一步。他們成功識別了導致有前景的臭氧生成催化劑隨時間退化的原因。匹茲堡大學的研究人員與德雷克塞大學和布魯克海文國家實驗室的同事合作，揭示了生成臭氧的催化劑的關鍵設計原則。利用量子化學，該團隊發現催化劑表面上的微觀缺陷同時促進臭氧的產生，並引發腐蝕，從而使其失效。這些發現使他們能夠設計出更持久的無氯水處理系統。匹茲堡大學的R.K. Mellon Faculty Fellow John Keith表示，這項工作證明了基礎科學和工程如何融合在一起，回答長期以來的問題，並開創改進水和衛生技術的新途徑。
氯是市政飲用水、醫院和工業設施的主要消毒劑。然而，這種高反應性的黃綠色卤素元素有著重大的缺點。它不僅在運輸和存儲時具有危險性，還可能在與有機物質反應時產生潛在的致癌副產品。相比之下，臭氧是一種強力消毒劑，分解後只剩下氧氣，無長期化學殘留。使用合適的催化劑，水電解可以產生更安全、可持續的臭氧，但對臭氧生成催化劑的工作原理了解有限，妨礙了進展。通過確定促進臭氧產生或導致腐蝕的表面缺陷，團隊識別了穩定下一代催化劑所需的特性。Keith在新聞聲明中表示，在極端的電解條件下，令人興奮的化學反應可能會開始發生，但催化劑也可能會更快地開始分解。
鎳和銻摻雜的錫氧化物（NATO）被認為是基於電解的臭氧生成的最安全和最具成本效益的選擇。然而，它們的退化速度過快，不適合廣泛使用。前化學工程博士生Lingyan Zhao的計算工作提供了NATO催化劑快速退化的線索。Zhao的分析通過德雷克塞大學的博士生Rayan Alaufey所主導的廣泛實驗得到了驗證。Alaufey研究了不同表面結構如何影響臭氧產生率和退化速率。結果顯示，催化劑的性能取決於活性和穩定性之間的核心權衡，未來的設計必須仔細控制。團隊相信，他們的發現可能對水處理產生重大影響。
基於臭氧的消毒系統可以直接在水中生成氣體，從而消除運輸和儲存危險化學品的需求。這一新方法可能會改善醫院、市政設施和偏遠安裝的安全性，並減少與基於氯的處理相關的有害副產品。該研究已發表在《ACS Catalysis》期刊上。
