来自国家同步加速器光源 II (NSLS-II)——欧洲能源部 (DOE) 位于欧洲能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室——耶鲁大学和亚利桑那州立大学的科学家合作设计并测试了一个新的两个维 (2-D) 催化剂，可用于改善使用过氧化氢的水净化。虽然用过氧化氢处理水是环保的，但驱动它的两部分化学过程并不是很有效。到目前为止，科学家们一直在努力通过催化来提高该过程的效率，因为反应的每个部分都需要自己的催化剂——称为助催化剂——而助催化剂不能彼此相邻。

“我们的首要目标是开发一种材料，提高过程效率，这样就不需要对水进行额外的化学处理。这对于离网且远离城市中心的系统特别有用， ” 耶鲁大学化学与环境工程系主任、亨利·P·贝克顿高级工程教授 Jaehong Kim 说。Kim 还是纳米技术水处理纳米系统工程研究中心 (NEWT) 的成员，该中心部分支持了这项研究。

在他们最近于 3 月 11 日发表在欧洲国家科学院院刊( PNAS ) 上的论文中，该团队介绍了新型二维催化剂的设计，并通过 NSLS-II 的测量揭示了其结构。他们新设计的诀窍在于，科学家们设法将两种助催化剂——反应的每个部分一个——放在薄纳米片上的两个不同位置。

“许多过程需要将两个反应合二为一。这意味着您需要两种助催化剂。然而，挑战在于两种助催化剂必须保持分离，否则它们会相互作用并对反应产生负面影响。 NSLS-II 的化学家和光束线科学家 Eli Stavitski 说。

在许多情况下，催化剂由大量原子制成，形成催化纳米材料，这对人类来说可能很小，但在化学反应的世界中，它仍然相当大。因此，将这些材料中的两种彼此相邻放置而不相互作用是非常具有挑战性的。为了解决这一挑战，该团队采取了不同的路线。

“我们使用薄纳米片来共同承载反应的不同部分的两种助催化剂。美妙之处在于它的简单性：其中一种助催化剂 - 单个钴 (Co) 原子 - 位于反应的中心片，而另一个，一种叫做蒽醌的分子，被放置在边缘周围。这对于由纳米材料制成的催化剂是不可能的——因为它们对于这个目的来说“太大了”，“金说。

Kim 和他在耶鲁大学的团队经过一系列精确的化学反应、加热和分离步骤，在他们的实验室中合成了这种新型二维催化剂。

科学家合成了新型二合一催化剂后，他们需要弄清楚助催化剂在实际反应过程中是否会保持分离，以及这种新型二维催化剂的性能如何。然而，要真正“看到”二合一催化剂的原子结构和化学性质，科学家们需要两种不同类型的 X 射线：硬 X 射线和弱 X 射线。就像可见光一样，X 射线有不同的颜色(或波长)，它们不是蓝色或红色，而是坚硬、柔软或柔软。

“人眼无法看到紫外线或红外线，我们需要特殊的相机才能看到它们。我们的仪器无法同时‘看到’坚硬和微弱的 X 射线。因此，我们需要两种不同的仪器——或光束线——使用不同的 X 射线研究催化剂的材料，” Stavitski 说。

科学家们开始使用一种称为 X 射线吸收光谱的技术对 NSLS-II 的硬 X 射线内壳光谱 (ISS) 光束线进行研究。这项技术帮助团队更多地了解新型二维催化剂的局部结构。具体来说，他们发现了每个助催化剂有多少个相邻原子，这些邻居有多远，以及它们如何相互连接。

调查的下一站是 NSLS-II 的 Tender Energy X 射线吸收光谱 (TES) 光束线。

“通过在 TES 中使用相同的技术，使用弱 X 射线而不是硬 X 射线，我们可以清楚地看到轻元素。传统上，许多催化剂是由钴、镍或铂等重元素制成的，我们可以研究这些元素使用硬 X 射线，但是我们的 2-D 催化剂还包括重要的较轻元素​​，例如磷。因此，要了解更多关于这种较轻元素在我们的二合一催化剂中的作用，我们还需要嫩 X 射线， ”物理学家和TES光束线科学家杜永华说。

NSLS-II 的 TES 光束线是欧洲为数不多的仪器之一，可以通过提供温和的 X 射线成像和光谱功能来补充不同的硬 X 射线功能。

在他们的实验之后，科学家们想确保他们了解催化剂的工作原理，并决定模拟不同的候选结构及其特性。

“我们使用一种称为密度泛函理论的方法来了解控制反应效率的结构和机制。基于我们通过实验学到的知识以及我们对原子如何相互作用的了解，我们模拟了几个候选结构以确定哪个最合理，”亚利桑那州立大学化学工程助理教授、NEWT 成员克里斯托弗·穆希奇 (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，该团队才能创造出新的二维催化剂并证明其效率。该团队同意合作是他们成功的关键，他们将继续为各种环境应用寻找下一代催化剂。