新的二维催化剂可以在一个纳米薄片上安装两个辅助催化剂,以实现更好的水净

时间:2020-04-26 15:21 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新的二维催化剂可以在一个纳米薄片上安装两个辅助催化剂,以实现更好的水净

合作的科学家从国家同步光源II (NSLS-II)本;美国能源部(DOE)办公室用户设备在不;s布鲁克海文国家Laboratory—耶鲁大学和亚利桑那州立大学的设计和测试一个新的二维(2 d)催化剂,可用于改善使用过氧化氢水净化。虽然过氧化氢水处理是环境友好的,但驱动它的两部分化学过程不是很有效。到目前为止,科学家们一直在努力通过催化来提高这一过程的效率,因为反应的每一部分都需要一种叫做“协同催化”的催化剂,而这种协同催化剂不能彼此相邻。

我们的首要目标是开发一种能提高生产效率的材料,这样就不需要对水进行额外的化学处理了。这对于远离城市中心的非电网系统尤其有用。耶鲁大学(Yale University)工程学教授、化学与环境工程系主任金家洪(Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Professor of Engineering)说。金也是纳米技术水处理纳米系统工程研究中心(NEWT)的成员,该中心在一定程度上支持了这项研究。

在他们最近于2020年3月11日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的论文中,研究小组展示了这种新型2d催化剂的设计,并通过nsl - ii的测量揭示了其结构。他们的新设计的诀窍在于,科学家们设法在一张薄的纳米薄片上的两个不同位置上放置了两个用于反应每个部分的协同催化剂。

许多过程需要两个反应同时进行。这意味着你需要两个催化剂。然而,挑战在于这两种催化剂必须保持分离,否则它们将相互作用,并对整个过程的效率造成负面影响。Eli Stavitski说,他是nsl - ii的化学家和光束科学家。

在许多情况下,催化剂是由大量的原子组成的,从而形成一种催化纳米材料。这种材料对人类来说可能很小,但在化学反应的世界里,它仍然是相当大的。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。

我们使用薄的奈米片来为反应的不同部分共载两种助催化剂。它的美妙之处在于它的简单:其中一种协同催化剂,一个钴原子,位于薄片的中心,而另一种,一种叫做蒽醌的分子,被放置在薄片的边缘。这在纳米材料制成的催化剂上是不可能实现的,因为它们太大了。为了这个目的,”;金说。

Kim和他在耶鲁大学的团队在实验室里通过一系列精确的化学反应、加热和分离步骤合成了这种新型2d催化剂。

在科学家们合成了新的二合一催化剂之后,他们需要弄清楚在实际的反应过程中,这些助催化剂是否会保持分离,以及这种新的2d催化剂的表现如何。然而,要真正地去看科学家们需要两种不同类型的x射线:硬x射线和软x射线。就像可见光一样,x射线也有不同的颜色,或者说波长。人们不称x射线为蓝色或红色,而称x射线为硬的、软的或软的。

人的眼睛不能看到紫外线或红外线,我们需要特殊的照相机才能看到它们。我们的仪器看不见。硬x光和软x光同时进行。因此,我们需要两种不同的仪器或束线来研究使用不同x射线的催化材料。Stavitski说。

科学家们利用一种叫做x射线吸收光谱学的技术,在nls - ii型硬x射线内壳光谱学(ISS)的束线上开始了他们的研究。这项技术帮助研究小组更多地了解了这种新型2d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个相邻原子,这些相邻原子之间的距离有多远,以及它们之间是如何相互连接的。

研究的下一站是nsl - ii的弱能x射线吸收光谱(TES)波束。

在TES用同样的技术,用软x射线代替硬x射线,我们可以清楚地看到轻元素。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射线来研究,然而我们的2d催化剂也包括重要的轻元素如磷。因此,为了更多地了解这种较轻的元素在二合一催化剂中的作用,我们还需要柔和的x射线。TES beamline科学家、物理学家杜永华说。

TES beamline是美国国内为数不多的能够通过提供脆弱的x射线成像和光谱功能来补充不同硬x射线功能的仪器之一。

在他们的实验之后,科学家们想确定他们了解催化剂是如何工作的,并决定模拟不同的候选结构和它们的性质。

我们用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理。根据我们从实验中学到的东西,以及我们对原子间相互作用的了解,我们模拟了几种可能的结构,以确定哪一种是最合理的。亚利桑那州立大学(Arizona State University)化学工程助理教授、纽特大学(NEWT)成员克里斯托弗·穆希(Christopher Muhich)说。

只有将他们在合成、分析实验和理论模拟方面的专业知识结合起来,这个团队才能创造出新的2d催化剂并证明它的效率。该团队一致认为,合作是他们成功的关键,他们将继续寻找各种环境应用的下一代催化剂。

文献:钴单原子在二维氮化碳上空间分离氧化还原中心用于光催化H2O2的生成;朱之恒、朱乾宏、潘振华、古普塔、黄大宏、杜永华、魏成云、吴跃申、穆赫奇、斯塔维斯基、多敏和金在宏,2020年3月11日,《国家科学院院刊》。

DOI: 10.1073 / pnas.1913403117

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