布鲁克海文国家实验室 科学家团队与伊莱·斯塔维斯基(左)和杜永华(右)一起在国家同步加速器光源二号(-二)的招标能量x光吸收光谱学()束线上“观察”他们的催化剂中的轻元素
学分:布鲁克海文国家实验室 国家同步辐射光源二号(NSLS二号)科学家的合作
S
能源部科学办公室的布鲁克海文国家实验室——耶鲁大学和亚利桑那州立大学的用户设施已经设计并测试了一种新的二维(二维)催化剂，这种催化剂可以用来改善使用过氧化氢的水净化
虽然用过氧化氢处理水对环境无害，但驱动它的两部分化学过程效率不高
迄今为止，科学家们一直在努力通过催化来提高这一过程的效率，因为反应的每个部分都需要自己的催化剂——称为助催化剂——助催化剂不能相邻
“我们的首要目标是开发一种能够提高工艺效率的材料，这样就不需要对水进行额外的化学处理
这对脱离电网和远离城市中心的系统特别有用
老贝克顿
耶鲁大学工程教授兼化学与环境工程系主任
金还是纳米技术水处理纳米系统工程研究中心的成员，该中心部分支持这项研究
在他们最近发表于3月11日《美国国家科学院院刊》(PNAS)的论文中，研究小组展示了新的二维催化剂的设计，并通过在NSLS二号上的测量揭示了它的结构
他们新设计的诀窍是，科学家们设法将两种助催化剂——反应的每一部分一种——放置在一个薄纳米片的两个不同位置上
“许多过程需要一步两个反应
这意味着你需要两种助催化剂
然而，挑战在于这两种助催化剂必须保持分离，否则它们会相互作用，对整个过程的效率产生负面影响，”NSLS二号的化学家和束线科学家伊莱·斯塔维茨基说
在许多情况下，催化剂是由大量原子组成的催化纳米材料，这对于人类来说似乎很小，但在化学反应领域，仍然相当大
因此，将这两种材料放在一起而不相互作用是很有挑战性的
为了解决这个挑战，团队采取了不同的路线
“我们使用了一个薄纳米片来为反应的不同部分共同承载两种助催化剂
其美妙之处在于其简单性:一种助催化剂——单个钴(钴)原子——位于薄片的中心，而另一种催化剂——一种叫做蒽醌的分子——位于边缘
用纳米材料制成的催化剂是不可能的——因为它们对于这个目的来说“太大了”
金和他在耶鲁的团队在他们的实验室合成了这种新的二维催化剂，经过一系列精确的化学反应、加热和分离步骤
在科学家们合成了新的二合一催化剂后，他们需要弄清楚在实际反应中助催化剂是否会保持分离，以及这种新的二维催化剂的性能如何
然而，为了真正“观察”二合一催化剂的原子结构和化学性质，科学家们需要两种不同的x光:硬x光和软x光
就像可见光一样，x光有不同的颜色——或波长——它们不是被称为蓝色或红色，而是被称为坚硬、柔软或柔软
“人类的眼睛看不到紫外线或红外线，我们需要特殊的照相机来观察它们
我们的仪器不能同时“看到”硬x光和软x光
因此，我们需要两种不同的仪器——或束线——来使用不同的x光来研究催化剂的材料，”斯塔维茨基说
科学家们开始在NSLS二号的硬x光内壳光谱学(ISS)束线使用一种叫做x光吸收光谱学的技术进行研究
这项技术帮助团队了解了新的二维催化剂的局部结构
具体来说，他们发现了每个助催化剂有多少相邻原子，这些相邻原子有多远，以及它们是如何相互连接的
调查的下一站是NSLS二号的温柔能量x光吸收光谱(TES)束线
“通过在TES使用同样的技术，用软x光代替硬x光，我们可以清楚地看到光元素
传统上，许多催化剂是由重元素如钴、镍或铂制成的，我们可以用硬x光来研究，然而我们的二维催化剂也包括重要的轻元素如磷
因此，为了进一步了解这种更轻的元素在二合一催化剂中的作用，我们还需要柔和的x光，”物理学家、束线科学家杜永华说
NSLS二号的TES束线是美国海军中为数不多的仪器之一
S
这可以补充不同的硬x光能力，提供招标x光成像和光谱能力
在他们的实验之后，科学家们希望确保他们理解催化剂是如何工作的，并决定模拟不同的候选结构及其特性
“我们使用了一种叫做密度泛函理论的方法来理解控制反应效率的结构和机制
亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希奇也是纽特公司的成员，他说:“基于我们从实验中学到的知识以及我们对原子间相互作用的了解，我们模拟了几种候选结构，以确定哪种结构最合理。”
只有结合他们在合成、分析实验和理论模拟方面的专业知识，团队才能创造出新的二维催化剂并展示其效率
团队一致认为合作是他们成功的关键，他们将继续为各种环境应用寻找下一代催化剂
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
