Grøn metode kunne gøre det muligt for hospitaler at producere brintoverilte i huset

Et team af forskere har udviklet en bærbar, mere miljøvenlig metode til at fremstille brintoverilte. Det kunne gøre det muligt for hospitaler at lave deres egne forsyninger af desinfektionsmidlet efter behov og til lavere omkostninger.

Arbejdet, et samarbejde mellem University of California San Diego, Columbia University, Brookhaven National Laboratory, University of Calgary, og University of California, Irvine, er beskrevet i et papir udgivet i Naturkommunikation .

Hydrogenperoxid har for nylig skabt overskrifter, da forskere og medicinske centre rundt om i landet har testet dets levedygtighed i dekontaminering af N95-masker for at håndtere mangel midt i COVID-19-pandemien.

Selvom resultaterne indtil videre er lovende, nogle forskere bekymrer sig om, at kemikaliets dårlige holdbarhed kan gøre en sådan dekontamineringsindsats dyre.

Hovedproblemet er, at hydrogenperoxid ikke er stabilt; det begynder at nedbrydes til vand og ilt, allerede inden flasken er blevet åbnet. Det nedbrydes endnu hurtigere, når det først udsættes for luft eller lys.

"Du har måske kun et par måneder til at bruge det, før det udløber, så du bliver nødt til at bestille batcher oftere for at holde en frisk forsyning, " sagde UC San Diego nanoingeniørprofessor Zheng Chen. "Og fordi det nedbrydes så hurtigt, forsendelse og opbevaring af det bliver meget dyrt."

Chen og kolleger udviklede en hurtig, enkel og billig metode til at generere brintoverilte i huset ved hjælp af kun en lille kolbe, luft, en hyldevare elektrolyt, en katalysator og elektricitet.

"Vores mål er at skabe et bærbart setup, der nemt kan tilsluttes, så hospitaler, og endda husholdninger, har en måde at generere brintoverilte på efterspørgsel, " sagde Chen. "Det er ikke nødvendigt at sende det, ingen grund til at opbevare det, og ingen hast med at bruge det hele, før det udløber. Dette kan spare op til 50 til 70 % i omkostninger."

En anden fordel er, at metoden er mindre giftig end industrielle processer.

Metoden er baseret på en kemisk reaktion, hvor et iltmolekyle kombineres med to elektroner og to protoner i en sur elektrolytopløsning for at producere hydrogenperoxid. Denne type reaktion er kendt som to-elektron iltreduktionsreaktionen, og den er brugervenlig, fordi den kan producere fortyndet brintoverilte med den ønskede koncentration efter behov. "I næste trin, vi vil udvikle elektrokatalysatorer, der er egnede til andre elektrolytløsninger for yderligere at øge rækkevidden af ​​dets anvendelser, " sagde UC San Diego kemiingeniørstuderende Qiaowan Chang.

Nøglen til at få denne reaktion til at ske er en særlig katalysator, som teamet udviklede. Det består af kulstof nanorør, der er blevet delvist oxideret, hvilket betyder iltatomer er blevet bundet til overfladen. Iltatomerne er bundet til små klynger af tre til fire palladiumatomer. Disse bindinger mellem palladiumklyngerne og oxygenatomerne er det, der gør det muligt for reaktionen at ske med en høj selektivitet og aktivitet på grund af dens optimale bindingsenergi af nøglemellemproduktet under reaktionen.

Columbia University kemiingeniørprofessor Jingguang Chen sagde:"Koordinationen mellem oxygenmodificeret Pd-klynge og de oxygenholdige funktionelle grupper på kulstofnanorør er nøglen til at forbedre dens katalytiske ydeevne."

Holdet udviklede oprindeligt denne metode for at gøre batterigenbrugsprocesser grønnere. Hydrogenperoxid er et af de kemikalier, der bruges til at udvinde og genvinde metaller som kobber, nikkel, kobolt og magnesium fra brugte lithium-ion-batterier. Tilsvarende det gør også aktiveringen af ​​kulbrintemolekyler mere effektiv, hvilket er et kritisk trin i mange industrielle kemiske processer.

"Vi havde arbejdet på dette projekt i omkring halvandet år. Da vi var ved at afslutte tingene, COVID-19-pandemien ramte, " sagde Chen. At se nyhedsrapporter om brugen af ​​hydrogenperoxiddamp til at desinficere N95-masker til genbrug motiverede holdet til at dreje retninger.

"Vi så, at der var et mere presserende behov for indsatser for at hjælpe sundhedspersonale, som måske ikke har tilstrækkelig beskyttelse, mens de tager sig af patienter, der lider af den nye coronavirus, " han sagde.

Arbejdet er på proof-of-concept-stadiet. Bevæger sig fremad, teamet vil arbejde med at optimere og opskalere metoden til potentiel brug på hospitaler. Fremtidige undersøgelser omfatter modificering af metoden, så den kan udføres ved hjælp af en neutral elektrolyt (dybest set en saltopløsning) i stedet for en sur, som ville være bedre til husholdnings- og kliniske applikationer, sagde Chen. En del af dette fortsatte arbejde er i øjeblikket støttet af UC San Diegos Sustainable Power and Energy Center.