Forskere passer to co-katalysatorer på et nanosheet for bedre vandrensning

Et samarbejde mellem forskere fra National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et US Department of Energy (DOE) Office of Science-brugerfacilitet på DOE's Brookhaven National Laboratory-Yale University, og Arizona State University har designet og testet en ny todimensionel (2-D) katalysator, der kan bruges til at forbedre vandrensning ved hjælp af hydrogenperoxid. Mens vandbehandling med hydrogenperoxid er miljøvenlig, den todelte kemiske proces, der driver den, er ikke særlig effektiv. Indtil nu, forskere har kæmpet for at forbedre processens effektivitet gennem katalyse, fordi hver del af reaktionen har brug for sin egen katalysator-kaldet en co-katalysator-og co-katalysatorerne ikke kan være ved siden af ​​hinanden.

"Vores overordnede mål er at udvikle et materiale, der øger effektiviteten af ​​processen, så der ikke er behov for yderligere kemisk behandling af vandet. Dette ville være særligt nyttigt for systemer, der er uden for nettet og langt væk fra bycentre, "sagde Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr.Professor i teknik og formand for Institut for Kemikalie- og Miljøteknik ved Yale University. Kim er også medlem af Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), som delvist understøttede denne forskning.

I deres seneste papir, udgivet den 11. marts i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ), teamet præsenterede designet til den nye 2-D-katalysator og afslørede dets struktur gennem målinger ved NSLS-II. Tricket med deres nye design er, at forskerne formåede at placere to co-katalysatorer-en for hver del af reaktionen-på to forskellige steder på et tyndt nanosheet.

"Mange processer har brug for to reaktioner i en. Det betyder, at du har brug for to co-katalysatorer. Men udfordringen er, at de to co-katalysatorer skal forblive adskilt, ellers interagerer de med hinanden og skaber en negativ effekt på effektiviteten af ​​hele processen, "sagde Eli Stavitski, en kemiker og stråleforsker ved NSLS-II.

I mange tilfælde, katalysatorer fremstilles af et stort antal atomer for at danne et katalytisk nanomateriale, som kan virke lille for et menneske, men i en verden af ​​kemiske reaktioner, er stadig ret store. Derfor, at placere to af disse materialer ved siden af ​​hinanden uden at de interagerer er ret udfordrende. For at løse denne udfordring, holdet tog en anden vej.

"Vi brugte et tyndt nanosark til at være vært for to co-katalysatorer for de forskellige dele af reaktionen. Skønheden er i sin enkelhed:en af ​​co-katalysatorerne-et enkelt kobolt (Co) atom-sidder i midten af ark, hvorimod den anden, et molekyle kaldet anthraquinon, er placeret rundt om kanterne. Dette ville ikke være muligt med katalysatorer fremstillet af nanomaterialer - da de ville være 'for store' til dette formål, "sagde Kim.

Kim og hans team på Yale syntetiserede denne nye 2-D-katalysator i deres laboratorium efter en præcis række kemiske reaktioner, opvarmning, og adskille trin.

Efter at forskerne syntetiserede den nye to-i-en-katalysator, de skulle finde ud af, om co-katalysatorerne ville forblive adskilt under en egentlig reaktion, og hvor godt denne nye 2-D katalysator ville yde. Imidlertid, virkelig at 'se' atomstrukturen og de kemiske egenskaber ved deres to-i-en-katalysator i aktion, forskerne havde brug for to forskellige slags røntgenstråler:hårde røntgenstråler og ømme røntgenstråler. Ligesom synligt lys, Røntgenstråler findes i forskellige farver-eller bølgelængder-og i stedet for at kalde dem blå eller rød, de kaldes hårde, bud, eller blød.

"Menneskelige øjne kan ikke se ultraviolet eller infrarødt lys, og vi har brug for særlige kameraer for at se dem. Vores instrumenter er ikke i stand til at 'se' både hårde og ømme røntgenstråler på samme tid. Så, vi havde brug for to forskellige instrumenter-eller strålelinjer-til at undersøge katalysatorens materialer ved hjælp af forskellige røntgenstråler, sagde Stavitski.

Forskerne startede deres undersøgelse ved NSLS-II's hard X-ray Inner Shell Spectroscopy (ISS) beamline ved hjælp af en teknik kaldet røntgenabsorptionsspektroskopi. Denne teknik hjalp teamet med at lære mere om den lokale struktur for den nye 2-D-katalysator. Specifikt, de fandt ud af, hvor mange nærliggende atomer hver co-katalysator har, hvor langt væk er disse naboer, og hvordan de er forbundet med hinanden.

Det næste stop i undersøgelsen var NSLS-II's Tender Energy X-ray Absorption Spectroscopy (TES) beamline.

"Ved at bruge den samme teknik på TES med ømme røntgenstråler i stedet for hårde røntgenstråler, vi kunne se lyselementerne tydeligt. Traditionelt set mange katalysatorer er fremstillet af tunge elementer som kobolt, nikkel, eller platin, som vi kan studere ved hjælp af hårde røntgenstråler, vores 2-D katalysator indeholder imidlertid også vigtige lettere elementer, såsom fosfor. Så, for at lære mere om rollen som dette lettere element i vores to-i-en-katalysator, vi havde også brug for ømme røntgenstråler, "sagde Yonghua Du, en fysiker og TES stråleforsker.

NSLS-II's TES beamline er et af de få instrumenter i USA, der kan supplere de forskellige hårde røntgenfunktioner ved at tilbyde øm røntgenbillede og spektroskopiske muligheder.

Efter deres forsøg, forskerne ville være sikre på, at de forstod, hvordan katalysatoren fungerede, og besluttede at simulere forskellige kandidatstrukturer og deres egenskaber.

"Vi brugte en tilgang kaldet densitetsfunktionel teori til at forstå de strukturer og de mekanismer, der styrer reaktionens effektivitet. Baseret på, hvad vi lærte gennem eksperimenterne, og hvad vi ved om, hvordan atomer interagerer med hinanden, vi simulerede flere kandidatstrukturer for at afgøre, hvilken der var mest sandsynlig, "sagde Christopher Muhich, adjunkt i kemiteknik ved Arizona State University og også medlem af NEWT.

Kun ved at kombinere deres ekspertise inden for syntese, analytiske eksperimenter, 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.