Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã thiết kế và thử nghiệm chất xúc tác hai chiều (2-D) mới có thể được sử dụng để cải thiện quá trình lọc nước bằng hydro peroxide.
Một sự hợp tác của các nhà khoa học từ National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – một cơ sở người dùng của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của DOE – Đại học Yale và Đại học bang Arizona đã thiết kế và thử nghiệm chất xúc tác hai chiều (2-D) mới có thể được sử dụng để cải thiện quá trình lọc nước bằng hydro peroxide. Mặc dù xử lý nước bằng hydro peroxide thân thiện với môi trường nhưng quá trình hóa học hai phần thúc đẩy nó không hiệu quả lắm. Cho đến nay, các nhà khoa học đã đấu tranh để cải thiện hiệu quả của quá trình thông qua xúc tác vì mỗi phần của phản ứng cần chất xúc tác riêng – được gọi là chất đồng xúc tác – và các chất đồng xúc tác không thể ở cạnh nhau.
Jaehong Kim, Henry P. Becton Sr. Giáo sư Kỹ thuật và Chủ tịch Khoa Kỹ thuật Hóa học và Môi trường tại Đại học Yale cho biết: “Mục tiêu bao trùm của chúng tôi là phát triển một vật liệu làm tăng hiệu quả của quy trình để không cần xử lý hóa chất bổ sung cho nước. Điều này đặc biệt hữu ích cho các hệ thống ngoài lưới và cách xa trung tâm đô thị.”
Kim cũng là thành viên của Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật nano về xử lý nước kích hoạt công nghệ nano (NEWT), trung tâm hỗ trợ một phần cho nghiên cứu này.
Trong bài báo gần đây của họ được công bố vào ngày 11 tháng 3 trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ( PNAS ), nhóm nghiên cứu đã trình bày thiết kế cho chất xúc tác 2 chiều mới và tiết lộ cấu trúc của nó thông qua các phép đo tại NSLS-II. Thủ thuật trong thiết kế mới của họ là các nhà khoa học đã quản lý để đặt hai chất xúc tác – một cho mỗi phần của phản ứng – lên hai vị trí khác nhau trên một nanosheet mỏng.
“Nhiều quá trình cần hai phản ứng trong một. Điều này có nghĩa là bạn cần hai chất đồng xúc tác. Tuy nhiên, thách thức là hai chất đồng xúc tác phải tách ra, nếu không chúng sẽ tương tác với nhau và tạo ra hiệu ứng tiêu cực đối với hiệu quả của toàn bộ quá trình, “Eli Stavitski, một nhà hóa học và nhà khoa học chùm tia tại NSLS-II nói.
Trong nhiều trường hợp, các chất xúc tác được tạo ra từ một số lượng lớn các nguyên tử để tạo thành vật liệu nano xúc tác có vẻ nhỏ đối với con người nhưng trong thế giới của các phản ứng hóa học, chúng vẫn còn khá lớn. Do đó, việc đặt hai trong số các vật liệu này cạnh nhau mà không có chúng tương tác là khá khó khăn. Để giải quyết thử thách này, nhóm đã đi một con đường khác.
Các nhà khoa học đã sử dụng một nanosheet mỏng để đồng tổ chức hai chất đồng xúc tác cho các phần khác nhau của phản ứng. Vẻ đẹp nằm ở sự đơn giản của nó: một trong những chất đồng xúc tác – một nguyên tử coban (Co) duy nhất – nằm ở trung tâm của tờ, trong khi một phân tử khác, một phân tử gọi là anthraquinone, được đặt xung quanh các cạnh. Điều này là không thể đối với các chất xúc tác làm từ vật liệu nano – vì chúng sẽ ‘quá lớn’ cho mục đích này.
Kim và nhóm của ông tại Yale đã tổng hợp chất xúc tác 2 chiều mới này trong phòng thí nghiệm của họ sau một loạt các phản ứng hóa học chính xác, làm nóng và tách các bước.
Sau khi các nhà khoa học tổng hợp chất xúc tác hai trong một mới, họ cần tìm hiểu xem các chất xúc tác sẽ tách ra trong một phản ứng thực tế và chất xúc tác 2-D mới này sẽ hoạt động tốt như thế nào. Tuy nhiên, để thực sự ‘nhìn thấy’ cấu trúc nguyên tử và tính chất hóa học của chất xúc tác hai trong một của chúng, các nhà khoa học cần hai loại tia X khác nhau: tia X cứng và tia X dịu. Giống như ánh sáng khả kiến, tia X có các màu khác nhau – hoặc bước sóng – và thay vì gọi chúng là màu xanh hoặc đỏ, chúng được gọi là cứng, dịu hoặc mềm.
Ông Stavitski, một thành viên của nhóm chia sẻ: “Mắt người không thể nhìn thấy tia cực tím hoặc hồng ngoại và chúng tôi cần máy ảnh đặc biệt để nhìn thấy chúng. Các thiết bị của chúng tôi không thể ‘nhìn thấy’ cả tia X cứng và mềm cùng một lúc. Vì vậy, chúng tôi cần hai dụng cụ khác nhau – hoặc tia sáng – để điều tra các vật liệu của chất xúc tác sử dụng các tia X khác nhau, “.
Các nhà khoa học đã bắt đầu cuộc điều tra của họ tại chùm tia quang phổ vỏ cứng (ISS) của NSLS-II bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ hấp thụ tia X. Kỹ thuật này đã giúp nhóm nghiên cứu tìm hiểu thêm về cấu trúc cục bộ của chất xúc tác 2 chiều mới. Cụ thể, họ đã tìm ra có bao nhiêu nguyên tử lân cận mà mỗi chất đồng xúc tác có, những hàng xóm này cách nhau bao xa và chúng được kết nối với nhau như thế nào.
Điểm dừng tiếp theo trong cuộc điều tra là chùm tia quang phổ hấp thụ tia X (TES) của NSLS-II.
Bằng cách sử dụng kỹ thuật tương tự tại TES với tia X dịu thay vì tia X cứng, chúng ta có thể thấy rõ các yếu tố ánh sáng. Theo truyền thống, nhiều chất xúc tác được tạo ra từ các nguyên tố nặng như coban, niken hoặc bạch kim, chúng ta có thể nghiên cứu sử dụng tia X cứng, tuy nhiên chất xúc tác 2 chiều của nhóm nghiên cứu cũng bao gồm các yếu tố nhẹ hơn quan trọng như phốt pho. Vì vậy, để tìm hiểu thêm về vai trò của nguyên tố nhẹ này trong chất xúc tác hai trong một, chúng tôi cũng cần sử dụng tia X dịu.
Beamline TES của NSLS-II là một trong số ít các thiết bị tại Hoa Kỳ có thể bổ sung cho các khả năng tia X cứng khác nhau bằng cách cung cấp khả năng chụp ảnh và quang phổ tia X dịu dàng.
Sau thí nghiệm của họ, các nhà khoa học muốn chắc chắn rằng họ hiểu cách thức chất xúc tác hoạt động và quyết định mô phỏng các cấu trúc ứng cử viên khác nhau và tính chất của chúng.
Christopher Muhich, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học bang Arizona và cũng là thành viên của NEWT cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng một phương pháp gọi là lý thuyết chức năng mật độ để hiểu các cấu trúc và các cơ chế kiểm soát hiệu quả của phản ứng. Dựa trên những gì chúng tôi đã học được qua các thí nghiệm và những gì chúng tôi biết về cách các nguyên tử tương tác với nhau, chúng tôi đã mô phỏng một số cấu trúc ứng cử viên để xác định xem cái nào là hợp lý nhất “.
Chỉ bằng cách kết hợp chuyên môn của họ trong tổng hợp, thử nghiệm phân tích và mô phỏng lý thuyết, nhóm mới có thể tạo ra chất xúc tác 2 chiều mới của họ và chứng minh hiệu quả của nó. Nhóm nghiên cứu đồng ý rằng sự hợp tác là chìa khóa thành công của họ và họ sẽ tiếp tục tìm kiếm các chất xúc tác thế hệ tiếp theo cho các ứng dụng môi trường khác nhau.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Brookhaven . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :