Vand + luft + elektricitet =brintoverilte

Produktionen af ​​brintoverilte kan være meget sikrere og enklere gennem en proces udviklet på Rice University.

En reaktor udviklet af Haotian Wang og hans kolleger på Rice's Brown School of Engineering kræver kun luft, vand og elektricitet for at lave det værdifulde kemikalie i den ønskede koncentration og høj renhed.

Deres elektrosynteseproces, detaljeret i Videnskab , bruger en oxideret kulstof-nanopartikel-baseret katalysator og kunne muliggøre brugsstedets produktion af rene hydrogenperoxidopløsninger, eliminerer behovet for at transportere det koncentrerede kemikalie, hvilket er farligt.

Ved at bruge en fast elektrolyt i stedet for traditionel flydende elektrolyt, det eliminerer også behovet for produktadskillelse eller rensning, der anvendes i nuværende processer, så ingen forurenende ioner vil være involveret.

"Hvis vi har elektricitet fra et solpanel, vi kan bogstaveligt talt få brintoverilte fra kun sollys, luft og vand, " sagde Wang. "Vi behøver ikke at involvere organiske brændstoffer eller fossilt brændstofforbrug. Hydrogenperoxidsyntese ved traditionel, store kemitekniske anlæg genererer organisk affald, forbruger fossile brændstoffer og udleder kuldioxid. Det, vi laver, er grøn syntese."

Hydrogenperoxid er meget udbredt som et antiseptisk middel, et vaskemiddel, inden for kosmetik, som blegemiddel og i vandrensning, blandt mange andre applikationer. Forbindelsen fremstilles i industrielle koncentrationer på op til 60% opløsning med vand, men i mange almindelige anvendelser, opløsningen er langt mere fortyndet.

"Industriel brintoverilte skal transporteres i høje koncentrationer for at maksimere økonomien, " sagde Wang.

"Transport er farligt og dyrt, fordi den koncentrerede forbindelse er ustabil. Hydrogenperoxid nedbrydes også over tid, og skal gemmes, når den når sin destination.

"Vores teknologi flytter produktionen af ​​brintoverilte, " sagde han. "Efterhånden som vedvarende el-input bliver billigere, luft er gratis, og vand er også billigt, vores produkt skal være konkurrencedygtigt prismæssigt.

"I stedet for at opbevare beholdere med hydrogenperoxid, hospitaler, der bruger det som desinfektionsmiddel, kan i fremtiden tænde en studs og få, for eksempel, en 3% løsning efter behov, " sagde Wang. "I stedet for at opbevare kemikalier for at desinficere poolvand, husejere kan trykke på en kontakt og tænde for reaktoren for at rense deres pools."

Risreaktoren minder lidt om en brændselscelle, med elektroder på hver side til at behandle brint (eller vand) og oxygen (fra luft), tilførsel af dem til katalysatorer på to elektroder, der indlejrer en ionisk ledende porøs fast elektrolyt.

"En brændselscelle minimerer produktionen af ​​brintoverilte for kun at producere vand med maksimeret energieffektivitet, " sagde Rice postdoc-forsker og hovedforfatter Chuan Xia. "I vores tilfælde, vi ønsker at maksimere brintoverilte i stedet, og har indstillet vores katalysator til at gøre det."

Den billige carbon black-katalysator, sat i en fast elektrolyt og oxideret for at øge dens reaktivitet, flytter iltreduktionsvejen mod det ønskede kemikalie ved hastigheder og koncentrationer bestemt af den påførte spænding, luft og vand råmateriale og en konstant forsyning af deioniseret vand. Reaktionen finder sted under omgivende temperaturer og tryk.

Medforfatter Yang Xia, en andenårs kandidatstuderende i Wang-laboratoriet, sagde, at katalysatoren viste sig robust nok til at syntetisere ren opløsning af 1 vægtprocent hydrogenperoxid over 100 sammenhængende timer i laboratoriet med ubetydelig nedbrydning.

Wang sagde, at laboratoriet planlægger at konstruere både større reaktorer og plug-and-play-komponenter med henblik på at teste med industrielle partnere. Han ser meget lovende for anvendelser i industriel skala som kommunale vandrensningssystemer. Rice lab har testet lave koncentrationer af sit produkt på campus regnvand og bevist sin evne til at fjerne organiske kulstofforurenende stoffer.

"Der er så mange potentielle anvendelser, sagde han. Før dette, elektrokemisk syntese af hydrogenperoxid var begrænset af dets produktadskillelse eller rensningsproces, men vi har løst den store barriere for praktiske anvendelser."

Rice-studerende Peng Zhu og den akademiske besøgende Lei Fan er medforfattere af papiret. Wang er William Marsh Rice Trustee Chair, en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik og en 2019 CIFAR Azrieli Global Scholar.

Rice University og J. Evans Attwell-Welch Postdoctoral Fellowship leveret af Smalley-Curl Institute støttede forskningen.