Una collaborazione di scienziati della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE-Yale University, e l'Arizona State University ha progettato e testato un nuovo catalizzatore bidimensionale (2-D) che può essere utilizzato per migliorare la purificazione dell'acqua utilizzando il perossido di idrogeno. Mentre il trattamento dell'acqua con perossido di idrogeno è rispettoso dell'ambiente, il processo chimico in due parti che lo guida non è molto efficiente. Finora, gli scienziati hanno lottato per migliorare l'efficienza del processo attraverso la catalisi perché ogni parte della reazione ha bisogno del proprio catalizzatore, chiamato co-catalizzatore, e i co-catalizzatori non possono essere uno accanto all'altro.

"Il nostro obiettivo principale è sviluppare un materiale che aumenti l'efficienza del processo in modo che non sia necessario alcun trattamento chimico aggiuntivo dell'acqua. Ciò sarebbe particolarmente utile per i sistemi fuori rete e lontani dai centri urbani, " ha detto Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Professore di Ingegneria e Presidente del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Ambientale alla Yale University. Kim è anche membro del Nanosistemi Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), che ha in parte sostenuto questa ricerca.

Nel loro recente articolo, pubblicato l'11 marzo in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), il team ha presentato il progetto per il nuovo catalizzatore 2-D e ha rivelato la sua struttura attraverso misurazioni presso NSLS-II. Il trucco del loro nuovo design è che gli scienziati sono riusciti a posizionare due co-catalizzatori, uno per ciascuna parte della reazione, in due posizioni diverse su un sottile nanofoglio.

"Molti processi richiedono due reazioni in una. Ciò significa che sono necessari due co-catalizzatori. Tuttavia, la sfida è che i due co-catalizzatori devono rimanere separati, altrimenti interagiscono tra loro e creano un effetto negativo sull'efficienza dell'intero processo, " ha detto Eli Stavitski, un chimico e scienziato della linea di luce presso NSLS-II.

In molti casi, i catalizzatori sono costituiti da un gran numero di atomi per formare un nanomateriale catalitico, che può sembrare piccolo a un umano ma, nel mondo delle reazioni chimiche, sono ancora abbastanza grandi. Perciò, posizionare due di questi materiali uno accanto all'altro senza che interagiscano è piuttosto impegnativo. Per risolvere questa sfida, la squadra ha preso una strada diversa.

"Abbiamo usato un sottile nanofoglio per ospitare due co-catalizzatori per le diverse parti della reazione. La bellezza è nella sua semplicità:uno dei co-catalizzatori, un singolo atomo di cobalto (Co), si trova al centro del lenzuolo, mentre l'altro, una molecola chiamata antrachinone, è posizionato intorno ai bordi. Ciò non sarebbe possibile con catalizzatori realizzati con nanomateriali, poiché sarebbero "troppo grandi" per questo scopo, " ha detto Kim.

Kim e il suo team a Yale hanno sintetizzato questo nuovo catalizzatore 2-D nel loro laboratorio seguendo una serie precisa di reazioni chimiche, il riscaldamento, e separare i passaggi.

Dopo che gli scienziati hanno sintetizzato il nuovo catalizzatore due in uno, avevano bisogno di capire se i co-catalizzatori sarebbero rimasti separati durante una reazione effettiva e quanto bene avrebbe funzionato questo nuovo catalizzatore 2-D. Però, per "vedere" davvero la struttura atomica e le proprietà chimiche del loro catalizzatore due in uno in azione, gli scienziati avevano bisogno di due diversi tipi di raggi X:raggi X duri e raggi X teneri. Proprio come la luce visibile, I raggi X sono disponibili in diversi colori, o lunghezze d'onda, e invece di chiamarli blu o rossi, si chiamano duri, delicato, o morbido.

"Gli occhi umani non possono vedere la luce ultravioletta o infrarossa e abbiamo bisogno di telecamere speciali per vederli. I nostri strumenti non sono in grado di "vedere" sia i raggi X duri che quelli teneri allo stesso tempo. Quindi, avevamo bisogno di due diversi strumenti, o linee di luce, per investigare i materiali del catalizzatore usando diversi raggi X, " disse Stavitski.

Gli scienziati hanno iniziato la loro indagine presso la linea di luce della spettroscopia a raggi X interni (ISS) dell'NSLS-II utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X. Questa tecnica ha aiutato il team a saperne di più sulla struttura locale del nuovo catalizzatore 2-D. Nello specifico, hanno scoperto quanti atomi vicini ha ciascun co-catalizzatore, quanto sono lontani questi vicini, e come sono collegati tra loro.

La tappa successiva dell'indagine è stata la linea di luce TES (Spettroscopia di assorbimento dei raggi X Tender Energy) di NSLS-II.

"Utilizzando la stessa tecnica al TES con raggi X teneri invece di raggi X duri, potremmo vedere chiaramente gli elementi leggeri. Tradizionalmente, molti catalizzatori sono costituiti da elementi pesanti come cobalto, nichel, o platino, che possiamo studiare usando i raggi X duri, tuttavia il nostro catalizzatore 2-D include anche importanti elementi più leggeri come il fosforo. Così, per saperne di più sul ruolo di questo elemento più leggero nel nostro catalizzatore due in uno, avevamo anche bisogno di teneri raggi X, " ha detto Yonghua Du, un fisico e scienziato della linea di luce TES.

La linea di luce TES di NSLS-II è uno dei pochi strumenti negli Stati Uniti in grado di integrare le diverse capacità di raggi X duri offrendo imaging a raggi X e capacità spettroscopiche.

Dopo i loro esperimenti, gli scienziati volevano essere sicuri di aver capito come funzionava il catalizzatore e hanno deciso di simulare diverse strutture candidate e le loro proprietà.

"Abbiamo utilizzato un approccio chiamato teoria del funzionale della densità per comprendere le strutture e i meccanismi che controllano l'efficienza della reazione. Sulla base di ciò che abbiamo appreso attraverso gli esperimenti e di ciò che sappiamo su come gli atomi interagiscono tra loro, abbiamo simulato diverse strutture candidate per determinare quale fosse la più plausibile, " ha detto Christopher Muhich, assistente professore di ingegneria chimica presso l'Arizona State University e anche membro del NEWT.

Solo unendo le loro competenze in sintesi, sperimentazione analitica, e la simulazione teorica potrebbe il team creare il nuovo catalizzatore 2-D e dimostrarne l'efficienza. Il team concorda sul fatto che la collaborazione sia stata la chiave del loro successo, e continueranno a cercare la prossima generazione di catalizzatori per varie applicazioni ambientali.