Een samenwerking van wetenschappers van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science bij DOE's Brookhaven National Laboratory - Yale University, en de Arizona State University heeft een nieuwe tweedimensionale (2-D) katalysator ontworpen en getest die kan worden gebruikt om de waterzuivering met waterstofperoxide te verbeteren. Hoewel waterbehandeling met waterstofperoxide milieuvriendelijk is, het tweedelige chemische proces dat het aandrijft, is niet erg efficiënt. Tot dusver, wetenschappers hebben geworsteld om de efficiëntie van het proces door middel van katalyse te verbeteren, omdat elk deel van de reactie zijn eigen katalysator nodig heeft - een co-katalysator genoemd - en de co-katalysatoren kunnen niet naast elkaar zijn.

"Ons overkoepelende doel is om een ​​materiaal te ontwikkelen dat de efficiëntie van het proces verhoogt, zodat er geen extra chemische behandeling van het water nodig is. Dit zou met name handig zijn voor systemen die off-the-grid zijn en ver weg van stedelijke centra, " zei Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Professor of Engineering en voorzitter van de afdeling Chemical and Environmental Engineering aan de Yale University. Kim is ook lid van het Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), die dit onderzoek gedeeltelijk ondersteunden.

In hun recente krant gepubliceerd op 11 maart in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), het team presenteerde het ontwerp voor de nieuwe 2D-katalysator en onthulde de structuur ervan door middel van metingen bij NSLS-II. De truc van hun nieuwe ontwerp is dat de wetenschappers erin slaagden om twee co-katalysatoren - één voor elk deel van de reactie - op twee verschillende locaties op een dunne nanoplaat te plaatsen.

"Veel processen hebben twee reacties in één nodig. Dit betekent dat je twee co-katalysatoren nodig hebt. de uitdaging is dat de twee co-katalysatoren gescheiden moeten blijven, anders zullen ze met elkaar interageren en een negatief effect hebben op de efficiëntie van het hele proces, " zei Eli Stavitski, een chemicus en beamline-wetenschapper bij NSLS-II.

Vaak, katalysatoren worden gemaakt van een groot aantal atomen om een ​​katalytisch nanomateriaal te vormen, die voor een mens misschien klein lijkt, maar in de wereld van chemische reacties, zijn nog vrij groot. Daarom, Het is een hele uitdaging om twee van deze materialen naast elkaar te plaatsen zonder dat ze op elkaar inwerken. Om deze uitdaging op te lossen, het team nam een ​​andere route.

"We gebruikten een dunne nanosheet om twee co-katalysatoren voor de verschillende delen van de reactie samen te hosten. De schoonheid zit in zijn eenvoud:een van de co-katalysatoren - een enkel kobalt (Co) -atoom - zit in het midden van de vel, terwijl de andere, een molecuul genaamd antrachinon, langs de randen wordt geplaatst. Dit zou niet mogelijk zijn met katalysatoren gemaakt van nanomaterialen - omdat ze daarvoor 'te groot' zouden zijn, " zei Kim.

Kim en zijn team aan Yale hebben deze nieuwe 2D-katalysator in hun laboratorium gesynthetiseerd na een precieze reeks chemische reacties, verwarming, en scheidingsstappen.

Nadat de wetenschappers de nieuwe twee-in-één-katalysator hadden gesynthetiseerd, ze moesten uitzoeken of de co-katalysatoren gescheiden zouden blijven tijdens een daadwerkelijke reactie en hoe goed deze nieuwe 2D-katalysator zou presteren. Echter, om de atomaire structuur en chemische eigenschappen van hun twee-in-één katalysator echt in actie te 'zien', de wetenschappers hadden twee verschillende soorten röntgenstralen nodig:harde röntgenstralen en zachte röntgenstralen. Net als zichtbaar licht, Röntgenstralen zijn er in verschillende kleuren - of golflengten - en in plaats van ze blauw of rood te noemen, ze worden hard genoemd, teder, of zacht.

"Menselijke ogen kunnen geen ultraviolet of infrarood licht zien en we hebben speciale camera's nodig om ze te zien. Onze instrumenten kunnen niet tegelijkertijd zowel harde als zachte röntgenstralen 'zien'. Dus, we hadden twee verschillende instrumenten nodig - of bundellijnen - om de materialen van de katalysator te onderzoeken met verschillende röntgenstralen, ' zei Stavitski.

De wetenschappers begonnen hun onderzoek bij NSLS-II's harde X-ray Inner Shell Spectroscopie (ISS) bundellijn met behulp van een techniek genaamd röntgenabsorptiespectroscopie. Deze techniek hielp het team om meer te weten te komen over de lokale structuur van de nieuwe 2D-katalysator. specifiek, ze ontdekten hoeveel naburige atomen elke co-katalysator heeft, hoe ver weg deze buren zijn, en hoe ze met elkaar verbonden zijn.

De volgende stop in het onderzoek was de Tender Energy X-ray Absorption Spectroscopie (TES) bundellijn van NSLS-II.

"Door dezelfde techniek bij TES te gebruiken met zachte röntgenstralen in plaats van harde röntgenstralen, we konden de lichte elementen duidelijk zien. traditioneel, veel katalysatoren zijn gemaakt van zware elementen zoals kobalt, nikkel, of platina, die we kunnen bestuderen met behulp van harde röntgenstralen, onze 2D-katalysator bevat echter ook belangrijke lichtere elementen zoals fosfor. Dus, om meer te weten te komen over de rol van dit lichtere element in onze twee-in-één katalysator, we hadden ook tedere röntgenfoto's nodig, " zei Yonghua Du, een natuurkundige en TES-bundellijnwetenschapper.

De TES-bundellijn van NSLS-II is een van de weinige instrumenten in de VS die de verschillende mogelijkheden voor harde röntgenstraling kan aanvullen door middel van tedere röntgenbeeldvorming en spectroscopische mogelijkheden.

Na hun experimenten, de wetenschappers wilden er zeker van zijn dat ze begrepen hoe de katalysator werkte en besloten verschillende kandidaatstructuren en hun eigenschappen te simuleren.

"We gebruikten een benadering genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie om de structuren en de mechanismen te begrijpen die de efficiëntie van de reactie regelen. Op basis van wat we door de experimenten hebben geleerd en wat we weten over hoe atomen met elkaar omgaan, we hebben verschillende kandidaat-structuren gesimuleerd om te bepalen welke het meest aannemelijk was, " zei Christopher Muhich, assistent-professor chemische technologie aan de Arizona State University en ook lid van NEWT.

Alleen door hun expertise in synthese te combineren, analytische experimenten, and theoretical simulation could the team create their new 2-D catalyst and demonstrate its efficiency. The team agrees that collaboration was the key to their success, and they will continue searching for the next generation of catalysts for various environmental applications.