Une collaboration de scientifiques de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory du DOE - Université de Yale, et l'Arizona State University a conçu et testé un nouveau catalyseur bidimensionnel (2D) qui peut être utilisé pour améliorer la purification de l'eau à l'aide de peroxyde d'hydrogène. Alors que le traitement de l'eau avec du peroxyde d'hydrogène est respectueux de l'environnement, le processus chimique en deux parties qui le pilote n'est pas très efficace. Jusque là, les scientifiques se sont efforcés d'améliorer l'efficacité du processus grâce à la catalyse, car chaque partie de la réaction a besoin de son propre catalyseur - appelé co-catalyseur - et les co-catalyseurs ne peuvent pas être côte à côte.

« Notre objectif principal est de développer un matériau qui augmente l'efficacité du processus afin qu'aucun traitement chimique supplémentaire de l'eau ne soit nécessaire. Cela serait particulièrement utile pour les systèmes hors réseau et éloignés des centres urbains, " a déclaré Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Professeur d'ingénierie et président du Département de génie chimique et environnemental à l'Université de Yale. Kim est également membre du Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), qui a en partie soutenu cette recherche.

Dans leur récent article, publié le 11 mars dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), l'équipe a présenté la conception du nouveau catalyseur 2D et a révélé sa structure grâce à des mesures au NSLS-II. L'astuce de leur nouvelle conception est que les scientifiques ont réussi à placer deux co-catalyseurs - un pour chaque partie de la réaction - sur deux emplacements différents sur une fine nanofeuille.

"De nombreux processus nécessitent deux réactions en une. Cela signifie que vous avez besoin de deux co-catalyseurs. Cependant, le défi est que les deux co-catalyseurs doivent rester séparés, sinon ils vont interagir les uns avec les autres et créer un effet négatif sur l'efficacité de l'ensemble du processus, " dit Eli Stavitski, un chimiste et scientifique des lignes de lumière à NSLS-II.

Dans de nombreux cas, les catalyseurs sont fabriqués à partir d'un grand nombre d'atomes pour former un nanomatériau catalytique, qui peut sembler petit à un humain mais, dans le monde des réactions chimiques, sont encore assez grands. Par conséquent, placer deux de ces matériaux l'un à côté de l'autre sans qu'ils interagissent est assez difficile. Pour résoudre ce défi, l'équipe a pris un chemin différent.

« Nous avons utilisé une fine nanofeuille pour héberger deux co-catalyseurs pour les différentes parties de la réaction. La beauté réside dans sa simplicité :l'un des co-catalyseurs - un seul atome de cobalt (Co) - se trouve au centre du feuille, tandis que l'autre, une molécule appelée anthraquinone, est placé sur les bords. Cela ne serait pas possible avec des catalyseurs constitués de nanomatériaux, car ils seraient « trop gros » à cet effet, ", a déclaré Kim.

Kim et son équipe de Yale ont synthétisé ce nouveau catalyseur 2D dans leur laboratoire à la suite d'une série précise de réactions chimiques, chauffage, et des étapes de séparation.

Après que les scientifiques aient synthétisé le nouveau catalyseur deux-en-un, ils devaient déterminer si les co-catalyseurs resteraient séparés pendant une réaction réelle et dans quelle mesure ce nouveau catalyseur 2D fonctionnerait. Cependant, pour vraiment "voir" la structure atomique et les propriétés chimiques de leur catalyseur deux-en-un en action, les scientifiques avaient besoin de deux types différents de rayons X :des rayons X durs et des rayons X tendres. Tout comme la lumière visible, Les rayons X se présentent sous différentes couleurs - ou longueurs d'onde - et au lieu de les appeler bleu ou rouge, ils sont appelés durs, tendre, ou doux.

« Les yeux humains ne peuvent pas voir la lumière ultraviolette ou infrarouge et nous avons besoin de caméras spéciales pour les voir. Nos instruments ne sont pas capables de « voir » à la fois les rayons X durs et sensibles. Alors, nous avions besoin de deux instruments différents - ou lignes de lumière - pour étudier les matériaux du catalyseur en utilisant différents rayons X, " dit Stavitski.

Les scientifiques ont commencé leur enquête sur la ligne de lumière de spectroscopie de coque interne à rayons X durs (ISS) du NSLS-II en utilisant une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X. Cette technique a permis à l'équipe d'en savoir plus sur la structure locale du nouveau catalyseur 2D. Spécifiquement, ils ont découvert combien d'atomes voisins chaque co-catalyseur a, à quelle distance sont ces voisins, et comment ils sont connectés les uns aux autres.

L'étape suivante de l'enquête a été la ligne de faisceaux de spectroscopie d'absorption des rayons X à énergie d'appel d'offres (TES) du NSLS-II.

"En utilisant la même technique au TES avec des rayons X tendres au lieu de rayons X durs, nous pouvions voir clairement les éléments lumineux. Traditionnellement, de nombreux catalyseurs sont fabriqués à partir d'éléments lourds tels que le cobalt, nickel, ou platine, que nous pouvons étudier à l'aide de rayons X durs, Cependant, notre catalyseur 2-D comprend également des éléments plus légers importants tels que le phosphore. Donc, pour en savoir plus sur le rôle de cet élément plus léger dans notre catalyseur deux-en-un, nous avions aussi besoin de rayons X tendres, " dit Yonghua Du, un physicien et scientifique de la ligne de lumière TES.

La ligne de lumière TES de NSLS-II est l'un des rares instruments aux États-Unis à pouvoir compléter les différentes capacités de rayons X durs en offrant des capacités d'imagerie et de spectroscopie aux rayons X.

Après leurs expériences, les scientifiques voulaient s'assurer qu'ils comprenaient le fonctionnement du catalyseur et ont décidé de simuler différentes structures candidates et leurs propriétés.

« Nous avons utilisé une approche appelée théorie de la fonctionnelle de la densité pour comprendre les structures et les mécanismes qui contrôlent l'efficacité de la réaction. Sur la base de ce que nous avons appris grâce aux expériences et de ce que nous savons sur la façon dont les atomes interagissent les uns avec les autres, nous avons simulé plusieurs structures candidates pour déterminer laquelle était la plus plausible, " a déclaré Christopher Muhich, professeur adjoint de génie chimique à l'Arizona State University et également membre du NEWT.

Ce n'est qu'en conjuguant leur expertise en synthèse, expérimentation analytique, et la simulation théorique pourraient l'équipe créer leur nouveau catalyseur 2D et démontrer son efficacité. L'équipe convient que la collaboration a été la clé de leur succès, et ils continueront à rechercher la prochaine génération de catalyseurs pour diverses applications environnementales.