Una colaboración de científicos de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, Universidad de Yale, y la Universidad Estatal de Arizona ha diseñado y probado un nuevo catalizador bidimensional (2-D) que puede usarse para mejorar la purificación del agua usando peróxido de hidrógeno. Si bien el tratamiento del agua con peróxido de hidrógeno es ecológico, el proceso químico de dos partes que lo impulsa no es muy eficiente. Hasta aquí, Los científicos han luchado por mejorar la eficiencia del proceso a través de la catálisis porque cada parte de la reacción necesita su propio catalizador, llamado cocatalizador, y los cocatalizadores no pueden estar uno al lado del otro.

"Nuestro objetivo general es desarrollar un material que aumente la eficiencia del proceso para que no sea necesario ningún tratamiento químico adicional del agua. Esto sería particularmente útil para sistemas que están fuera de la red y lejos de los centros urbanos, "dijo Jaehong Kim, Henry P. Becton Profesor Sr. de Ingeniería y Director del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Yale. Kim también es miembro del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT), que apoyó en parte esta investigación.

En su artículo reciente, publicado el 11 de marzo en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), el equipo presentó el diseño del nuevo catalizador 2-D y reveló su estructura a través de mediciones en NSLS-II. El truco de su nuevo diseño es que los científicos lograron colocar dos cocatalizadores, uno para cada parte de la reacción, en dos ubicaciones diferentes en una nanoplaca delgada.

"Muchos procesos necesitan dos reacciones en una. Esto significa que se necesitan dos cocatalizadores. Sin embargo, el desafío es que los dos cocatalizadores deben permanecer separados, de lo contrario, interactuarán entre sí y crearán un efecto negativo en la eficiencia de todo el proceso, "dijo Eli Stavitski, químico y científico de líneas de luz en NSLS-II.

En muchos casos, Los catalizadores están hechos de una gran cantidad de átomos para formar un nanomaterial catalítico, que puede parecer pequeño para un humano pero, en el mundo de las reacciones químicas, todavía son bastante grandes. Por lo tanto, Colocar dos de estos materiales uno al lado del otro sin que interactúen es todo un desafío. Para resolver este desafío, el equipo tomó una ruta diferente.

"Usamos una fina nanocapa para co-albergar dos cocatalizadores para las diferentes partes de la reacción. La belleza está en su simplicidad:uno de los cocatalizadores, un solo átomo de cobalto (Co), se encuentra en el centro de la hoja, mientras que el otro, una molécula llamada antraquinona, se coloca alrededor de los bordes. Esto no sería posible con catalizadores hechos de nanomateriales, ya que serían 'demasiado grandes' para este propósito, "dijo Kim.

Kim y su equipo en Yale sintetizaron este nuevo catalizador 2-D en su laboratorio siguiendo una serie precisa de reacciones químicas, calefacción, y pasos de separación.

Después de que los científicos sintetizaron el nuevo catalizador dos en uno, necesitaban averiguar si los cocatalizadores permanecerían separados durante una reacción real y qué tan bien funcionaría este nuevo catalizador 2-D. Sin embargo, para realmente 'ver' la estructura atómica y las propiedades químicas de su catalizador dos en uno en acción, los científicos necesitaban dos tipos diferentes de rayos X:rayos X duros y rayos X sensibles. Como la luz visible Los rayos X vienen en diferentes colores, o longitudes de onda, y en lugar de llamarlos azules o rojos, se llaman duros, tierno, o suave.

"Los ojos humanos no pueden ver la luz ultravioleta o infrarroja y necesitamos cámaras especiales para verlos. Nuestros instrumentos no pueden 'ver' rayos X duros y sensibles al mismo tiempo. Entonces, necesitábamos dos instrumentos diferentes, o líneas de luz, para investigar los materiales del catalizador utilizando diferentes rayos X, "dijo Stavitski.

Los científicos comenzaron su investigación en la línea de luz de espectroscopía de capa interna (ISS) de rayos X duros de NSLS-II utilizando una técnica llamada espectroscopía de absorción de rayos X. Esta técnica ayudó al equipo a aprender más sobre la estructura local del nuevo catalizador 2-D. Específicamente, descubrieron cuántos átomos vecinos tiene cada cocatalizador, qué tan lejos están estos vecinos, y cómo están conectados entre sí.

La siguiente parada en la investigación fue la línea de luz de espectroscopía de absorción de rayos X de energía tierna (TES) de NSLS-II.

"Al utilizar la misma técnica en TES con rayos X sensibles en lugar de rayos X duros, pudimos ver los elementos de luz claramente. Tradicionalmente, muchos catalizadores están hechos de elementos pesados ​​como el cobalto, níquel, o platino, que podemos estudiar con rayos X duros, sin embargo, nuestro catalizador 2-D también incluye importantes elementos más ligeros como el fósforo. Entonces, para obtener más información sobre el papel de este elemento más ligero en nuestro catalizador dos en uno, también necesitábamos tiernas radiografías, "dijo Yonghua Du, un físico y científico de líneas de luz TES.

La línea de luz TES de NSLS-II es uno de los pocos instrumentos dentro de los EE. UU. Que puede complementar las diferentes capacidades de rayos X duros al ofrecer imágenes de rayos X tiernas y capacidades espectroscópicas.

Después de sus experimentos, los científicos querían estar seguros de que entendían cómo funcionaba el catalizador y decidieron simular diferentes estructuras candidatas y sus propiedades.

"Usamos un enfoque llamado teoría funcional de la densidad para comprender las estructuras y los mecanismos que controlan la eficiencia de la reacción. Basándonos en lo que aprendimos a través de los experimentos y en lo que sabemos sobre cómo los átomos interactúan entre sí, simulamos varias estructuras candidatas para determinar cuál era la más plausible, "dijo Christopher Muhich, profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Estatal de Arizona y también miembro de NEWT.

Solo combinando su experiencia en síntesis, experimentación analítica, y la simulación teórica podría el equipo crear su nuevo catalizador 2-D y demostrar su eficiencia. El equipo está de acuerdo en que la colaboración fue la clave de su éxito, y continuarán buscando la próxima generación de catalizadores para diversas aplicaciones ambientales.