Producerer billigere, grønnere hydrogenperoxid

Australske forskere under ledelse af University of New South Wales har brugt Australian Synchrotron til at forstå, hvordan den kemiske struktur af et avanceret katalytisk materiale bidrager til dets stabilitet og effektivitet. Fremgangsmåden har potentiale til at producere hydrogenperoxid (H2O2) i en proces, der er omkostningseffektiv med mindre skade på miljøet.

Hydrogenperoxid er et vigtigt kemikalie, der bruges bredt i en række applikationer, herunder spildevandsrensning desinfektion, blegning af papir/papirmasse, rengøring af halvleder, minedrift og metalforarbejdning, brændselsceller og i kemisk syntese.

Ifølge en international markedsundersøgelsesgruppe, IMARC, den globale brintoverilte -markedsstørrelse blev vurderet til 4,0 milliarder dollar i 2017 og stiger.

De nuværende produktionsmetoder er afhængige af store kemiske anlæg, hvor brint, atmosfærisk ilt og et anthraquinonderivat anvendes i en reaktionscyklus, det er dyrt, kræver et højt energiforbrug og er ikke miljøvenligt.

En alternativ tilgang er baseret på den elektrokemiske reduktion af ilt (iltreduktionsreaktion) i syrer, som kan udføres under omgivelsesbetingelser uden farlige biprodukter.

Imidlertid, state-of-the-art katalysatorer til produktion af hydrogenperoxid i syrer har været begrænset til ædle metaller, platin og palladium.

Andre forsøg på at bruge overgangsmetallerne, jern, nikkel og kobolt, resulteret i en ustabil struktur og dårlig ydeevne.

I denne undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , efterforskerne rekonstruerede overfladen af ​​et materiale ved at doping carbon nanorør med kobolt og nitrogen til dannelse af enkeltatomkatalysatorer på substratet i et forsøg på at stabilisere de nitrogenkoordinerede metalcentre.

Eksperimenter med bløde røntgenstråler ved Australian Synchrotron hjalp med at tydeliggøre og bekræfte, hvordan strukturen letter de elektrokemiske reaktioner, der er nødvendige for at producere hydrogenperoxid.

"Vi brugte en teknik kendt som NEXAFS, nærkant røntgenabsorption fin struktur spektroskopi, at se på koordinering eller oxidationstilstand for forskellige elementer af interesse - kobolt, kulstof og ilt, sagde doktor Lars Thomsen, Senior instrumentforsker og medforfatter.

Binding af epoxygrupper (hvor enkeltbindinger forbinder et oxygenatom til to tilstødende atomer) frem for hydroxylgrupper til de nitrogenkoordinerede kobolt-nikkelcentre på et carbonsubstrat bidrog til stabiliteten af ​​materialet og dets katalytiske effektivitet.

Forskerne rapporterede, at strukturen resulterer i en tæt på ideel bindingsenergi, der tillader iltreduktionsreaktionen at forløbe via en næsten fuldstændig to-elektron overførselsvej.

Vigtigere, de undersøgte prøver viste også rekordstor produktion af hydrogenperoxid, og overgik næsten alle de tidligere rapporterede katalysatormaterialer.

"En af de vigtigste overvejelser er evnen til at levere et godt udbytte samt miljømæssige fordele, for at se en optagelse i industrien, sagde Thomsen, der arbejdede med syntesen af ​​grønt stål fremstillingsmetode som ph.d. kandidat.

Samt forklarer forbedringseffekten af ​​epoxygrupperne på hydrogenperoxidproduktion, forskningen giver indsigt i at stabilisere ydelsen af ​​enkeltatomkatalysatorer i sure brændselsceller.

Andre røntgenforsøg blev udført ved Advanced Photon Source i USA.

Forskningen blev ledet af ph.d. kandidat Qingran Zhang fra Particle and Catalysis Research Laboratory ledet af prof. Rose Amal ved UNSW. Andre samarbejdspartnere omfattede Australian National University og CSIRO.