Ingeniører løser katalyse vs korrosionsmysterium i elektrokemisk ozonproduktion

Forskere ved University of Pittsburgh og Drexel University i Philadelphia arbejder sammen med Brookhaven National Laboratory på at løse et flerdelt mysterium for at gøre vanddesinfektionsbehandlinger mere bæredygtige.

Skalerbar elektrokemisk ozonproduktion (EOP) teknologier til at desinficere snavset vand kan en dag erstatte centraliserede klorbehandlinger, der bruges i dag, hvad enten det er i moderne byer eller fjerntliggende landsbyer. Der er dog lidt forståelse for EOP på molekylært niveau, og hvordan teknologier, der gør det muligt, kan gøres til at være effektive, økonomiske og bæredygtige.

Deres forskning, "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production," blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet ACS Catalysis .

Hovedforfatteren er Drexel Ph.D. studerende Rayan Alaufey, med bidragende forskere fra Drexel, herunder co-PI Maureen Tang, lektor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, postdoc-forsker Andrew Lindsay, Ph.D. studerende Tana Siboonruang og Ezra Wood, lektor i kemi; co-PI John A. Keith, lektor i kemi- og petroleumsteknik, og kandidatstuderende Lingyan Zhao fra Pitt; og Qin Wu fra Brookhaven.

"Folk har brugt klor til at behandle drikkevand siden 1800-tallet, men i dag forstår vi bedre, at klor måske ikke altid er den bedste løsning. EOP kan for eksempel generere ozon, et molekyle med omtrent samme desinficerende kraft som klor, direkte i vand .

"I modsætning til klor, som forbliver stabilt i vand, nedbrydes ozon i vand naturligt efter omkring 20 minutter, hvilket betyder, at det er mindre sandsynligt, at det beskadiger folk, når de indtager fra vand i en hane, når de svømmer i en pool, eller når de renser sår på et hospital." forklarede Keith, som også er R.K. Mellon Faculty Fellow i Energi ved Pitt's Swanson School of Engineering.

"EOP til bæredygtig desinfektion ville give meget mening på nogle markeder, men at gøre det kræver en god nok katalysator, og fordi ingen har fundet en god nok EOP-katalysator endnu, er EOP for dyrt og energikrævende til bredere brug.

"Mine kolleger og jeg tænkte, hvis vi på atomniveau kunne afkode, hvad der får en middelmådig EOP-katalysator til at fungere, måske kunne vi konstruere en endnu bedre EOP-katalysator."

At løse mysteriet om, hvordan EOP-katalysatorer virker, er afgørende for at forstå, hvordan man bedre kan konstruere en af ​​de mest lovende og mindst giftige EOP-katalysatorer, der er kendt til dato:nikkel- og antimon-doteret tinoxid (Ni/Sb–SnO_{2 eller NATO).}

Deri, sagde Keith, ligger gåden:hvad gør ethvert atoms rolle i NATO for at hjælpe EOP? Bliver ozon dannet katalytisk på måder, vi ønsker det skal, eller dannes det, fordi katalysatoren nedbrydes, og der skal arbejdes i fremtiden for at gøre NATO-katalysatorer mere stabile?

Overraskende nok opdagede forskerne, at det sandsynligvis er en blanding af begge dele.

Ved at bruge eksperimentelle elektrokemiske analyser, massespektrometri og beregningsmæssig kvantekemi-modellering skabte forskerne en "atomisk skala-historie" for at forklare, hvordan ozon genereres på NATO-elektrokatalysatorer.

For første gang identificerede de, at noget af nikkelen i NATO sandsynligvis udvaskes af elektroderne via korrosion, og disse nikkelatomer, der nu flyder i opløsningen nær katalysatoren, kan fremme kemiske reaktioner, der i sidste ende genererer ozon.

"Hvis vi vil lave en bedre elektrokatalysator, er vi nødt til at forstå, hvilke dele der virker og ikke fungerer. Faktorer som metalionudvaskning, korrosion og opløsningsfasereaktioner kan give det udseende af, at en katalysator virker én vej, når den faktisk virker en anden måde."

Keith bemærkede, at identifikation af forekomsten af ​​korrosion og kemiske reaktioner, der forekommer væk fra katalysatoren, er vigtige skridt til at afklare, før andre forskere kan forfølge forbedringer af EOP og andre elektrokatalytiske processer.

I deres konklusion bemærker de:"At identificere eller tilbagevise eksistensen af ​​sådanne fundamentale teknologiske begrænsninger vil være afgørende for enhver fremtidig anvendelse af EOP og andre avancerede elektrokemiske oxidationsprocesser."

"Vi ved, at elektrokemisk vandbehandling virker i små skalaer, men opdagelsen af ​​bedre katalysatorer vil øge den til en global skala. Næste skridt er at finde nye atomare kombinationer i materialer, der er mere modstandsdygtige over for korrosion, men som også fremmer økonomisk og bæredygtigt levedygtig EOP ," sagde Keith.

Flere oplysninger: Rayan Alaufey et al., Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozon Production, ACS Catalysis (2024). DOI:10.1021/acscatal.4c01317

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Leveret af University of Pittsburgh