Defekt kulstof forenkler produktionen af ​​brintoverilte

Rice University-forskere har skabt en "defekt" katalysator, der forenkler dannelsen af ​​hydrogenperoxid fra oxygen.

Risforskere behandlede metalfri kønrøg, det billige, pulveriseret produkt fra olieproduktion, med oxygenplasma. Processen introducerer defekter og iltholdige grupper i kulstofpartiklernes struktur, udsætte mere overfladeareal for interaktioner.

Når det bruges som katalysator, de defekte partikler kendt som CB-Plasma reducerer ilt til hydrogenperoxid med 100 % Faradaic effektivitet, et mål for ladningsoverførsel i elektrokemiske reaktioner. Processen viser løfte om at erstatte den komplekse anthraquinon-baserede produktionsmetode, der kræver dyre katalysatorer og genererer giftige organiske biprodukter og store mængder spildevand. ifølge forskerne.

Forskningen udført af Rice-kemikeren James Tour og materialeteoretikeren Boris Yakobson vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS katalyse .

Hydrogenperoxid er meget udbredt som desinfektionsmiddel, samt i spildevandsrensning, i papir- og papirmasseindustrien og til kemisk oxidation. Tour forventer, at den nye proces vil påvirke designet af hydrogenperoxidkatalysatorer fremover.

"Den elektrokemiske proces, der er skitseret her, behøver ingen metalkatalysatorer, og dette vil sænke omkostningerne og gøre hele processen langt enklere, Tour sagde. "Korrekt konstruktion af kulstofstrukturen kunne give passende aktive steder, der reducerer oxygenmolekyler, mens O-O-bindingen opretholdes, så brintoverilte er det eneste produkt. Udover det, det metalfrie design hjælper med at forhindre nedbrydning af hydrogenperoxid."

Plasmabehandling skaber defekter i carbon black-partikler, der vises som fem- eller syvleddet ringe i materialets atomgitter. Processen fjerner nogle gange nok atomer til at skabe ledige pladser i gitteret.

Katalysatoren virker ved at trække to elektroner fra ilt, tillader det at kombinere med to brintelektroner for at skabe hydrogenperoxid. (reducerer ilt med fire elektroner, en proces, der anvendes i brændselsceller, producerer vand som et biprodukt.)

"Selektiviteten over for peroxid frem for vand stammer ikke fra kønrøg i sig selv, men som (medforfatter og Rice kandidatstuderende) Qin-Kun Lis beregninger viser, fra de specifikke defekter skabt af plasmabehandling, " sagde Yakobson. "Disse katalytiske defektsteder favoriserer bindingen af ​​nøglemellemprodukter til peroxiddannelse, sænke reaktionsbarrieren og fremskynde det ønskede resultat."

Tours laboratorium behandlede også carbon black med ultraviolet-ozon og behandlede CB-Plasma efter iltreduktion med argon for at fjerne de fleste af de iltholdige grupper. CB-UV var ikke bedre til katalyse end almindelig kønrøg, men CB-Argon klarede sig lige så godt som CB-Plasma med et endnu bredere spektrum af elektrokemisk potentiale, laboratoriet rapporterede.

Fordi eksponeringen af ​​CB-Plasma for argon under høj temperatur fjernede de fleste iltgrupper, laboratoriet udledte, at kulstofdefekterne selv var ansvarlige for den katalytiske reduktion til hydrogenperoxid.

Enkelheden af ​​processen kunne tillade mere lokal generering af det værdifulde kemikalie, reducere behovet for at transportere det fra centraliserede anlæg. Tour bemærket CB-Plasma matcher effektiviteten af ​​state-of-the-art materialer, der nu bruges til at generere hydrogenperoxid.

"Det er meget nemmere at skalere denne proces end de nuværende metoder, og det er så enkelt, at selv små enheder kan bruges til at generere hydrogenperoxid på de steder, hvor det er nødvendigt, " sagde Tour.

Processen er den anden, som Rice har introduceret i de seneste måneder for at gøre fremstillingen af ​​hydrogenperoxid mere effektiv. Ris kemisk og biomolekylær ingeniør Haotian Wang og hans laboratorium udviklede en oxideret kulstof nanopartikel-baseret katalysator, der producerer kemikaliet fra sollys, luft og vand.