Ett samarbete mellan forskare från National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en användaranläggning för US Department of Energy (DOE) Office of Science vid DOE:s Brookhaven National Laboratory – Yale University, och Arizona State University har designat och testat en ny tvådimensionell (2-D) katalysator som kan användas för att förbättra vattenrening med väteperoxid. Även om vattenbehandling med väteperoxid är miljövänlig, den tvådelade kemiska processen som driver den är inte särskilt effektiv. Än så länge, forskare har kämpat för att förbättra effektiviteten i processen genom katalys eftersom varje del av reaktionen behöver sin egen katalysator – en så kallad co-katalysator – och co-katalysatorerna kan inte vara bredvid varandra.

"Vårt övergripande mål är att utveckla ett material som ökar effektiviteten i processen så att ingen ytterligare kemisk behandling av vattnet skulle behövas. Detta skulle vara särskilt användbart för system som är utanför nätet och långt borta från stadskärnor, sa Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Professor i teknik och ordförande för Institutionen för kemi- och miljöteknik vid Yale University. Kim är också medlem i Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), som delvis stödde denna forskning.

I deras senaste tidning, publicerades den 11 mars i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), teamet presenterade designen för den nya 2D-katalysatorn och avslöjade dess struktur genom mätningar på NSLS-II. Tricket med deras nya design är att forskarna lyckades placera två samkatalysatorer - en för varje del av reaktionen - på två olika platser på ett tunt nanoark.

"Många processer behöver två reaktioner i en. Det betyder att du behöver två samkatalysatorer. Men, utmaningen är att de två medkatalysatorerna måste hållas åtskilda, annars kommer de att interagera med varandra och skapa en negativ effekt på effektiviteten i hela processen, sade Eli Stavitski, en kemist och strållinjeforskare vid NSLS-II.

I många fall, katalysatorer tillverkas av ett stort antal atomer för att bilda ett katalytiskt nanomaterial, som kan verka litet för en människa men, i världen av kemiska reaktioner, är fortfarande ganska stora. Därför, att placera två av dessa material bredvid varandra utan att de interagerar är ganska utmanande. För att lösa denna utmaning, laget tog en annan väg.

"Vi använde ett tunt nanoark för att vara värd för två samkatalysatorer för de olika delarna av reaktionen. Skönheten ligger i dess enkelhet:en av samkatalysatorerna - en enda kobolt (Co) atom - sitter i mitten av ark, medan den andra, en molekyl som heter antrakinon, placeras runt kanterna. Detta skulle inte vara möjligt med katalysatorer gjorda av nanomaterial - eftersom de skulle vara "för stora" för detta ändamål, sa Kim.

Kim och hans team på Yale syntetiserade denna nya 2D-katalysator i sitt labb efter en exakt serie kemiska reaktioner, uppvärmning, och separerande steg.

Efter att forskarna syntetiserade den nya två-i-ett-katalysatorn, de behövde ta reda på om samkatalysatorerna skulle förbli separerade under en faktisk reaktion och hur väl den här nya 2D-katalysatorn skulle fungera. Dock, att verkligen "se" atomstrukturen och kemiska egenskaper hos deras två-i-ett-katalysator i aktion, forskarna behövde två olika typer av röntgenstrålar:hårda röntgenstrålar och ömma röntgenstrålar. Precis som synligt ljus, Röntgenstrålar finns i olika färger – eller våglängder – och istället för att kalla dem blå eller röda, de kallas hårda, anbud, eller mjuk.

"Mänskliga ögon kan inte se ultraviolett eller infrarött ljus och vi behöver speciella kameror för att se dem. Våra instrument kan inte "se" både hårda och ömma röntgenstrålar samtidigt. Så, vi behövde två olika instrument – ​​eller strållinjer – för att undersöka katalysatorns material med olika röntgenstrålar, sa Stavitski.

Forskarna startade sin undersökning vid NSLS-II:s hårda röntgenstrålning inre skalspektroskopi (ISS) strållinje med en teknik som kallas röntgenabsorptionsspektroskopi. Denna teknik hjälpte teamet att lära sig mer om den nya 2D-katalysatorns lokala struktur. Specifikt, de fick reda på hur många närliggande atomer varje co-katalysator har, hur långt borta dessa grannar är, och hur de är kopplade till varandra.

Nästa stopp i undersökningen var NSLS-II:s Tender Energy X-ray Absorption Spectroscopy (TES) strållinje.

"Genom att använda samma teknik på TES med ömma röntgenstrålar istället för hårda röntgenstrålar, vi kunde se de ljusa elementen tydligt. Traditionellt, många katalysatorer är gjorda av tunga grundämnen som kobolt, nickel, eller platina, som vi kan studera med hårda röntgenstrålar, Men vår 2D-katalysator innehåller också viktiga lättare element som fosfor. Så, för att lära dig mer om rollen av detta lättare element i vår två-i-ett-katalysator, vi behövde också ömma röntgenbilder, " sa Yonghua Du, en fysiker och TES strållinjeforskare.

NSLS-II:s TES-strållinje är ett av få instrument i USA som kan komplettera de olika hårdröntgenfunktionerna genom att erbjuda ömtålig röntgenavbildning och spektroskopisk kapacitet.

Efter deras experiment, forskarna ville vara säkra på att de förstod hur katalysatorn fungerade och bestämde sig för att simulera olika kandidatstrukturer och deras egenskaper.

"Vi använde ett tillvägagångssätt som kallas densitetsfunktionsteori för att förstå strukturerna och mekanismerna som styr effektiviteten av reaktionen. Baserat på vad vi lärt oss genom experimenten och vad vi vet om hur atomer interagerar med varandra, vi simulerade flera kandidatstrukturer för att avgöra vilken som var mest rimlig, sa Christopher Muhich, biträdande professor i kemiteknik vid Arizona State University och även medlem i NEWT.

Endast genom att kombinera sin expertis inom syntes, analytiska experiment, och teoretisk simulering kan teamet skapa sin nya 2D-katalysator och demonstrera dess effektivitet. Teamet är överens om att samarbete var nyckeln till deras framgång, och de kommer att fortsätta leta efter nästa generations katalysatorer för olika miljötillämpningar.