Una colaboración de científicos del National Synchrotron Light Source II NSLS-II - una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE - Universidad de Yale, y la Universidad Estatal de Arizona ha diseñado yprobamos un nuevo catalizador bidimensional 2-D que puede usarse para mejorar la purificación del agua con peróxido de hidrógeno. Si bien el tratamiento del agua con peróxido de hidrógeno es respetuoso con el medio ambiente, el proceso químico de dos partes que lo impulsa no es muy eficiente. Hasta ahora, los científicos han luchado para 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 un tratamiento químico adicional del agua. Esto sería particularmente útil para los sistemas que están fuera de la red y lejos de las zonas urbanascentros ", dijo Jaehong Kim, profesor de ingeniería Henry P. Becton Sr. y presidente 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 del Agua con Nanotecnología NEWT, queen parte apoyó esta investigación.
En su reciente artículo, publicado el 11 de marzo en Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS , el equipo presentó el diseño para el 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 delgada lámina nano.
"Muchos procesos necesitan dos reacciones en una. Esto significa que necesita dos cocatalizadores. Sin embargo, el desafío es que los dos cocatalizadores deben permanecer separados, de lo contrario interactuarán entre sí y crearán un efecto negativosobre la eficiencia de todo el proceso ", dijo Eli Stavitski, químico y científico de la línea 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, colocando dos de estos materiales a continuaciónel uno al otro sin que interactúen es bastante desafiante. Para resolver este desafío, el equipo tomó una ruta diferente.
"Usamos una delgada nanocapa para co-hospedar 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 asienta enel centro de la lámina, mientras que la otra, 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, calentamiento y pasos de separación.
Después de que los científicos sintetizaron el nuevo catalizador dos en uno, tenían que 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 blandos. Al igual que la luz visible, los rayos X vienen en diferentescolores, o longitudes de onda, y en lugar de llamarlos azules o rojos, se llaman duros, tiernos o suaves.
"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. Por lo tanto, 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 haz de la Espectroscopía de caparazón interno 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 de la nueva 2-DEn concreto, 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 haz de Espectroscopía de Absorción de Rayos X TES Tender Energy de NSLS-II.
"Al utilizar la misma técnica en TES con rayos X blandos en lugar de rayos X duros, podríamos ver claramente los elementos ligeros. Tradicionalmente, muchos catalizadores están hechos de elementos pesados como el cobalto, el níquel o el platino, que nosotrospuede estudiar utilizando rayos X duros, sin embargo, nuestro catalizador 2-D también incluye elementos más ligeros importantes como el fósforo. Por lo tanto, para aprender más sobre el papel de este elemento más ligero en nuestro catalizador dos en uno, también necesitábamos x-rayos ", dijo Yonghua Du, físico y científico de la línea 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 asegurarse de que entendían cómo funcionaba el catalizador y decidieron simular diferentes estructuras candidatas y sus propiedades.
"Utilizamos un enfoque llamado teoría funcional de la densidad para comprender las estructuras y los mecanismos que controlan la eficiencia de la reacción. En base a lo que aprendimos a través de los experimentos y lo que sabemos acerca de cómo interactúan los átomos entre sí, simulamos varios candidatosestructuras para determinar cuál era 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 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 para su éxito, y continuarán buscando elpróxima generación de catalizadores para diversas aplicaciones ambientales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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