Ny enhed producerer hydrogenperoxid til vandrensning

Begrænset adgang til rent vand er et stort problem for milliarder af mennesker i udviklingslandene, hvor vandkilder ofte er forurenet med byer, industri- og landbrugsaffald. Mange sygdomsfremkaldende organismer og organiske forurenende stoffer kan hurtigt fjernes fra vandet ved hjælp af brintoverilte uden at efterlade skadelige restkemikalier. Imidlertid, at producere og distribuere brintoverilte er en udfordring i mange dele af verden.

Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University skabt en lille enhed til produktion af brintoverilte, der kunne drives af vedvarende energikilder, som konventionelle solpaneler.

"Idéen er at udvikle en elektrokemisk celle, der genererer brintoverilte fra ilt og vand på stedet, og derefter bruge det hydrogenperoxid i grundvandet til at oxidere organiske forurenende stoffer, som er skadelige for mennesker at indtage, " sagde Chris Hahn, en SLAC associeret stabsforsker.

Deres resultater blev rapporteret 1. marts i Reaktionskemi og teknik .

Projektet var et samarbejde mellem tre forskergrupper ved SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, som drives i fællesskab af SLAC og Stanford University.

"De fleste af projekterne her hos SUNCAT følger en lignende vej, " sagde Zhihua (Bill) Chen, en kandidatstuderende i gruppen af ​​Tom Jaramillo, en lektor ved SLAC og Stanford. "De tager udgangspunkt i forudsigelser baseret på teori, gå til katalysatorudvikling og til sidst producere en prototype enhed med en praktisk anvendelse."

I dette tilfælde, forskere i teorigruppen ledet af SLAC/Stanford professor Jens Nørskov brugte beregningsmodellering, på atomær skala, at undersøge kulstofbaserede katalysatorer, der er i stand til at sænke omkostningerne og øge effektiviteten af ​​hydrogenperoxidproduktion. Deres undersøgelse afslørede, at de fleste defekter i disse materialer er naturligt selektive til at generere hydrogenperoxid, og nogle er også meget aktive. Da der naturligt kan dannes defekter i de kulstofbaserede materialer under vækstprocessen, det vigtigste fund var at lave et materiale med så mange defekter som muligt.

"Min tidligere katalysator for denne reaktion brugte platin, som er for dyrt til decentral vandrensning, " sagde forskningsingeniør Samira Siahrostami. "Det smukke ved vores billigere kulstofbaserede materiale er, at det har et stort antal defekter, der er aktive steder for at katalysere produktionen af ​​brintoverilte."

Stanford kandidatstuderende Shucheng Chen, der arbejder med Stanford Professor Zhenan Bao, fremstillede derefter kulstofkatalysatorerne og målte deres egenskaber. Med hjælp fra SSRL-medarbejdere Dennis Nordlund og Dimosthenis Sokaras, disse katalysatorer blev også karakteriseret ved hjælp af røntgenstråler ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Vi var afhængige af vores eksperimenter hos SSRL for bedre at forstå vores materiales struktur og kontrollere, at det havde de rigtige slags defekter, " sagde Shucheng Chen.

Endelig, han gav katalysatoren videre til sin værelseskammerat Bill Chen, hvem har designet, bygget og testet deres enhed.

"Vores enhed har tre rum, Bill Chen forklarede. "I det første kammer, iltgas strømmer gennem kammeret, grænseflader med katalysatoren fremstillet af Shucheng og reduceres til hydrogenperoxid. Hydrogenperoxidet kommer derefter ind i det midterste kammer, hvor det opbevares i en opløsning." I et tredje kammer, en anden katalysator omdanner vand til oxygengas, og cyklussen starter forfra.

At adskille de to katalysatorer med et midterkammer gør enheden billigere, enklere og mere robust end at adskille dem med en standard semipermeabel membran, som kan angribes og nedbrydes af brintoverilte.

Enheden kan også køre på vedvarende energikilder, der er tilgængelige i landsbyer. Den elektrokemiske celle er i det væsentlige et elektrisk kredsløb, der fungerer med en lille spænding påført over det. Reaktionen i kammer et sætter elektroner i ilt for at lave hydrogenperoxid, som er afbalanceret af en modreaktion i kammer tre, der tager elektroner fra vand for at lave ilt - matcher strømmen og fuldender kredsløbet. Da enheden kun kræver ca. 1,7 volt påført mellem katalysatorerne, den kan køre på et batteri eller to standard solpaneler.

Forskergrupperne arbejder nu på en enhed med højere kapacitet.

I øjeblikket rummer det midterste kammer kun ca. 10 mikroliter hydrogenperoxid; de vil gøre det større. De forsøger også løbende at cirkulere væsken i det midterste kammer for hurtigt at pumpe hydrogenperoxid ud, så størrelsen af ​​lagerkammeret begrænser ikke længere produktionen.

De vil også gerne lave brintoverilte i højere koncentrationer. Imidlertid, kun et par milligram er nødvendige for at behandle en liter vand, og den nuværende prototype producerer allerede en tilstrækkelig koncentration, hvilket er en tiendedel af koncentrationen af ​​den brintoverilte, som du køber i butikken til dine basale medicinske behov.

På lang sigt, holdet ønsker at ændre det alkaliske miljø inde i cellen til et neutralt miljø, der er mere som vand. Dette ville gøre det lettere for folk at bruge, fordi brintoveriltet kunne blandes med drikkevand direkte uden at skulle neutralisere det først.

Teammedlemmerne er begejstrede for deres resultater og føler, at de er på rette vej til at udvikle en praktisk enhed.

"I øjeblikket er det kun en prototype, men jeg tror personligt, at det vil skinne inden for området decentraliseret vandrensning til udviklingslandene, " sagde Bill Chen. "Det er som en magisk boks. Jeg håber, det kan blive en realitet«.