由美國能源部（DOE）科學辦公室、美國能源部布魯克海文國家實驗室、耶魯大學和亞利桑那州立大學的科學家們合作，設計並測試了一種新的二維（2-D）催化劑，該催化劑可用於改善使用雙氧水的水淨化。雖然用過氧化氫處理水是環保的，但驅動它的二維化學過程的效率並不高。到目前為止，科學家們一直在努力通過催化作用來提高該過程的效率，因為反應的每一部分都需要有自己的催化劑，也就是所謂的助催化劑，而且助催化劑不能相鄰。
"我們的總體目標是開發一種能提高工藝效率的材料，從而無需對水進行額外的化學處理。這對於離網和遠離城市中心的系統特別有用，"耶魯大學化學與環境工程系主任Jaehong Kim教授說。Kim也是納米系統工程研究中心（NEWT）的成員之一，該中心對這項研究提供了部分支持。
在3月11日發表在《National Academy of Sciences》（PNAS）上的最新論文中，該團隊介紹了新型二維催化劑的設計，並通過NSLS-II的測量結果揭示了其結構。他們新設計的訣竅在於，科學家們設法將兩個共催化劑--反應的每一部分--放在薄的納米片上的兩個不同位置上。
"許多過程需要兩個反應合二為一。這意味著，你需要兩個共催化劑。然而，挑戰在於兩個共催化劑必須保持分離，否則它們會相互作用，對整個過程的效率產生負面影響。"NSLS-II的化學家和光束線科學家Eli Stavitski說。
在很多情況下，催化劑是由大量的原子組成的催化納米材料，在人類看來，這些原子可能看起來很小，但在化學反應的世界裡，它們的體積仍然相當大。因此，將兩種材料放在一起而不發生相互作用是相當有挑戰性的。為了解決這一挑戰，該團隊採取了不同的方法。
"我們用一種薄薄的納米片來共同承載兩個不同部位的反應的共催化劑。美中不足的地方在於它的簡單性：其中一種共催化劑，單一的鈷（Co）原子位於片材的中心，而另一種叫做蒽醌的分子則被放置在邊緣。」Kim說："這在納米材料製成的催化劑中是不可能實現的，因為它們的體積太大，無法實現這一目的。"
Kim和他在耶魯大學的團隊經過一系列精確的化學反應、加熱和分離步驟後，在實驗室裡合成了這種新型二維催化劑。
在科學家們合成了新型二合一催化劑後，他們需要弄清楚在實際反應中助催化劑是否能保持分離，以及這種新型二維催化劑的性能如何。然而，為了真正 "看清 "二合一催化劑的原子結構和化學特性，科學家們需要兩種不同的X射線：硬X射線和柔和X射線。
"人類的眼睛不能看到紫外線或紅外線，我們需要特殊的相機才能看到它們。我們的儀器無法同時'看'到硬光和軟光的X射線。因此，我們需要兩種不同的儀器，或者說是光束線，用不同的X射線來研究催化劑的材料。"Stavitski說。
科學家們開始在NSLS-II的硬X射線內殼光譜（ISS）光束線上使用一種稱為X射線吸收光譜的技術進行研究。這項技術幫助團隊了解了新型二維催化劑的局部結構。具體來說，他們發現了每個共催化劑有多少個相鄰的原子，這些相鄰原子的距離有多遠，以及它們之間的連接方式。
調查的下一站是NSLS-II的Tender Energy X射線吸收光譜（TES）光束線。
"通過在TES中使用同樣的技術，用柔和X射線代替硬X射線，我們可以清楚地看到光元素。傳統上，許多催化劑都是由鈷、鎳或鉑等重元素製成的，我們可以用硬X射線來研究這些元素，然而我們的二維催化劑中也包含了磷等重要的輕元素。因此，為了了解這種較輕元素在我們的二合一催化劑中的作用，我們還需要柔和X射線。"物理學家、TES光束線科學家Yonghua Du說。
NSLS-II公司的TES光束線是美國國內為數不多的能夠提供柔和X射線成像和光譜能力的儀器，能夠補充不同的硬X射線能力。
實驗結束後，科學家們希望確定他們理解了催化劑的工作原理，於是決定模擬不同的候選結構及其特性。
"我們使用了一種叫做密度函數理論的方法來理解結構和控制反應效率的機制。根據我們通過實驗所學到的知識，以及我們對原子之間如何相互作用的了解，我們模擬了幾種候選結構，以確定哪種結構最合理。"亞利桑那州立大學化學工程助理教授Christopher Muhich說，他也是NEWT的成員之一。
只有結合他們在合成、分析實驗和理論模擬方面的專業知識，團隊才能創造出他們的新型二維催化劑並證明其效率。該團隊一致認為，合作是他們成功的關鍵，他們將繼續尋找下一代催化劑，用於各種環境應用的催化劑。
論文標題為《Spatially separating redox centers on 2D carbon nitride with cobalt single atom for photocatalytic H2O2 production》。