p Uma colaboração de cientistas da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE - Universidade de Yale, e a Arizona State University projetou e testou um novo catalisador bidimensional (2-D) que pode ser usado para melhorar a purificação da água usando peróxido de hidrogênio. Embora o tratamento da água com peróxido de hidrogênio seja ecologicamente correto, o processo químico de duas partes que o impulsiona não é muito eficiente. Até aqui, os cientistas têm lutado para melhorar a eficiência do processo por meio da catálise porque cada parte da reação precisa de seu próprio catalisador - chamado de co-catalisador - e os co-catalisadores não podem estar próximos um do outro. p "Nosso objetivo geral é desenvolver um material que aumente a eficiência do processo de forma que nenhum tratamento químico adicional da água seja necessário. Isso seria particularmente útil para sistemas fora da rede e longe dos centros urbanos, "disse Jaehong Kim, Henry P. Becton Professor Sênior de Engenharia e Presidente do Departamento de Engenharia Química e Ambiental da Universidade de Yale. Kim também é membro do Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), que parcialmente apoiou esta pesquisa.

p Em seu artigo recente, publicado em 11 de março em Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), a equipe apresentou o projeto do novo catalisador 2-D e revelou sua estrutura por meio de medições no NSLS-II. O truque de seu novo design é que os cientistas conseguiram colocar dois cocatalisadores - um para cada parte da reação - em dois locais diferentes em uma nano folha fina.

p "Muitos processos precisam de duas reações em uma. Isso significa que você precisa de dois cocatalisadores. No entanto, o desafio é que os dois cocatalisadores devem permanecer separados, caso contrário, eles interagirão entre si e criarão um efeito negativo na eficiência de todo o processo, "disse Eli Stavitski, um químico e cientista de linha de luz no NSLS-II.

p Em muitos casos, catalisadores são feitos de um grande número de átomos para formar um nanomaterial catalítico, que pode parecer pequeno para um humano, mas, no mundo das reações químicas, ainda são bastante grandes. Portanto, colocar dois desses materiais próximos um do outro sem que eles interajam é bastante desafiador. Para resolver este desafio, a equipe tomou um caminho diferente.

p "Usamos uma nanofolha fina para co-hospedar dois cocatalisadores para as diferentes partes da reação. A beleza está em sua simplicidade:um dos cocatalisadores - um único átomo de cobalto (Co) - fica no centro do Folha, enquanto o outro, uma molécula chamada antraquinona, é colocado em torno das bordas. Isso não seria possível com catalisadores feitos de nanomateriais - uma vez que eles seriam 'grandes' para esta finalidade, "disse Kim.

p Kim e sua equipe em Yale sintetizaram este novo catalisador 2-D em seu laboratório seguindo uma série precisa de reações químicas, aquecimento, e separar etapas.

p Depois que os cientistas sintetizaram o novo catalisador dois em um, eles precisavam descobrir se os cocatalisadores permaneceriam separados durante uma reação real e quão bem este novo catalisador 2-D teria um desempenho. Contudo, para realmente 'ver' a estrutura atômica e as propriedades químicas de seu catalisador dois em um em ação, os cientistas precisavam de dois tipos diferentes de raios-X:raios-X duros e raios-X sensíveis. Assim como a luz visível, Os raios X vêm em diferentes cores - ou comprimentos de onda - e em vez de chamá-los de azul ou vermelho, eles são chamados de duros, macio, ou macio.

p "Os olhos humanos não podem ver a luz ultravioleta ou infravermelha e precisamos de câmeras especiais para vê-los. Nossos instrumentos não são capazes de 'ver' os raios X fortes e sensíveis ao mesmo tempo. Então, precisávamos de dois instrumentos diferentes - ou linhas de luz - para investigar os materiais do catalisador usando diferentes raios-X, "disse Stavitski.

p Os cientistas começaram sua investigação na linha de feixe de espectroscopia interna de raios-X (ISS) do NSLS-II usando uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios-X. Essa técnica ajudou a equipe a aprender mais sobre a estrutura local do novo catalisador 2-D. Especificamente, eles descobriram quantos átomos vizinhos cada cocatalisador tem, quão longe esses vizinhos estão, e como eles estão conectados uns aos outros.

p A próxima parada na investigação foi a linha de luz Tender Energy Absorption Spectroscopy (TES) do NSLS-II.

p "Usando a mesma técnica no TES com raios-X sensíveis em vez de raios-X duros, podíamos ver os elementos leves com clareza. Tradicionalmente, muitos catalisadores são feitos de elementos pesados, como cobalto, níquel, ou platina, que podemos estudar usando raios-X duros, entretanto, nosso catalisador 2-D também inclui importantes elementos mais leves, como o fósforo. Então, para saber mais sobre a função deste elemento mais leve em nosso catalisador dois em um, também precisávamos de raios-X sensíveis, "disse Yonghua Du, um físico e cientista da linha de luz TES.

p A linha de luz TES do NSLS-II é um dos poucos instrumentos nos EUA que pode complementar as diferentes capacidades de raio-X rígido, oferecendo imagens de raio-X e recursos espectroscópicos.

p Após seus experimentos, os cientistas queriam ter certeza de que entendiam como o catalisador funcionava e decidiram simular diferentes estruturas candidatas e suas propriedades.

p "Usamos uma abordagem chamada teoria do funcional da densidade para entender as estruturas e os mecanismos que controlam a eficiência da reação. Com base no que aprendemos com os experimentos e no que sabemos sobre como os átomos interagem entre si, simulamos várias estruturas candidatas para determinar qual era a mais plausível, "disse Christopher Muhich, professor assistente de engenharia química na Arizona State University e também membro do NEWT.

p Apenas combinando sua experiência em síntese, experimentação analítica, e simulação teórica poderia a equipe criar seu novo catalisador 2-D e demonstrar sua eficiência. A equipe concorda que a colaboração foi a chave para seu sucesso, e eles continuarão procurando a próxima geração de catalisadores para várias aplicações ambientais.