Víz + levegő + elektromosság = hidrogén-peroxid

Értékes vegyszer igény szerint a felhasználás helyén

A hidrogén-peroxid előállítása sokkal biztonságosabb és egyszerűbb lehet a Rice Egyetemen kifejlesztett folyamat révén.

Haotian Wang és munkatársai által a Rice Brown School of Engineering-ben kifejlesztett reaktorhoz csak levegőre, vízre és villamos energiára van szükség ahhoz, hogy az értékes vegyi anyag a kívánt koncentrációban és nagy tisztaságú legyen.

A Science által részletezett elektroszintézis folyamatuk oxidált szén nanorészecske-alapú katalizátort használ, és lehetővé teheti tiszta hidrogén-peroxid-oldatok felhasználási ponton történő előállítását, kiküszöbölve a veszélyes koncentrált vegyi anyag szállításának szükségességét.

A hagyományos folyékony elektrolit helyett szilárd elektrolit alkalmazásával megszűnik a jelenlegi folyamatokban alkalmazott termékelválasztás vagy tisztítás szükségessége, így nem járnak szennyező ionok.

"Ha napelemből van áramunk, szó szerint hidrogén-peroxidot nyerhetünk csak napfényből, levegőből és vízből" - mondta Wang. "Nincs szükségünk szerves anyagokra vagy fosszilis tüzelőanyagok fogyasztására. A hagyományos, hatalmas vegyipari üzemek hidrogén-peroxid-szintézise szerves hulladékokat generál, fosszilis tüzelőanyagokat fogyaszt és szén-dioxidot bocsát ki. Amit csinálunk, az a zöld szintézis."

A hidrogén-peroxidot antiszeptikumként, mosószerként, kozmetikumokban, fehérítőszerként és víztisztításban széles körben használják, sok egyéb alkalmazás mellett. A vegyületet ipari koncentrációban, legfeljebb 60% -os vízoldattal állítják elő, de sok általános felhasználás esetén az oldat sokkal jobban hígul.

"Az ipari hidrogén-peroxidot nagy koncentrációban kell szállítani a gazdaságosság maximalizálása érdekében" - mondta Wang.

"A szállítás veszélyes és költséges, mert a koncentrált vegyület instabil. A hidrogén-peroxid is idővel lebomlik, és tárolni kell, amint célba ér.

"Technológiánk áthelyezi a hidrogén-peroxid termelését" - mondta. "Mivel a megújuló villamosenergia-bevitel olcsóbbá válik, a levegő ingyenes és a víz is olcsó, termékünknek versenyképesnek kell lennie az ár szempontjából.

"A hidrogén-peroxid tartályok tárolása helyett a kórházak, amelyek fertőtlenítőszerként használják, a jövőben bekapcsolhatnak egy csapot és igény szerint például 3% -os oldatot kaphatnak" - mondta Wang. "Ahelyett, hogy vegyszereket tárolna a medence vizének fertőtlenítésére, a lakástulajdonosok átkapcsolhatnak egy kapcsolót, és bekapcsolhatják a reaktort medencéik tisztításához."

A Rice reaktor némileg hasonlít egy üzemanyagcellához, mindkét oldalán elektródokkal dolgoznak fel hidrogént (vagy vizet) és oxigént (levegőből), amelyek két elektródon lévő, ionosan vezető pórusos szilárd elektrolit szendvicsét tartalmazó katalizátorokhoz vezetik őket.

"Az üzemanyagcella minimalizálja a hidrogén-peroxid termelését, hogy csak vizet állítson elő a lehető legnagyobb energiahatékonyság mellett" - mondta Chuan Xia, Rice posztdoktori kutató és vezető szerző. "Esetünkben a hidrogén-peroxidot akarjuk maximalizálni, és erre beállítottuk katalizátorunkat."

Az olcsó koromkatalizátor, szilárd elektrolitba kötve, reakcióképességének fokozása érdekében oxidálva, az alkalmazott feszültség, levegő és víz alapanyag által meghatározott sebességgel és koncentrációval, valamint az ioncserélt víz állandó ellátásával az oxigénredukció útját a kívánt vegyi anyag felé tolja el. . A reakció környezeti hőmérsékleten és nyomáson megy végbe.

Társszerző, Yang Xia, a Wang labor másodéves hallgatója szerint a katalizátor elég robusztusnak bizonyult ahhoz, hogy az 1 tömeg% -os hidrogén-peroxid tiszta oldatát a laboratóriumban 100 folyamatos óra alatt szintetizálhassa elhanyagolható lebomlás mellett.

Wang elmondta, hogy a laboratórium tervei szerint mind a nagyobb reaktorokat, mind a plug-and-play alkatrészeket megtervezik, figyelemmel az ipari partnerekkel való tesztelésre. Nagy ígéretet lát az ipari méretű alkalmazásokhoz, például a települési víztisztító rendszerekhez. A Rice laboratórium tesztelte termékének alacsony koncentrációját a campus esővízén, és bebizonyította, hogy képes eltávolítani a szerves szénszennyeződéseket.

"Olyan sok lehetséges alkalmazás létezik" - mondta. "Ezt megelőzően a hidrogén-peroxid elektrokémiai szintézisét korlátozta a termék szétválasztási vagy tisztítási folyamata, de megoldottuk a gyakorlati alkalmazások nagy akadályát."

A rizst végzős hallgató, Peng Zhu és az akadémiai látogató, Lei Fan a cikk társszerzői. Wang a William Marsh Rice megbízott elnöke, a vegyi és biomolekuláris mérnöki adjunktus, valamint a CIFAR Azrieli globális ösztöndíjasa 2019-ben.

A Rice Egyetem és a Smalley-Curl Intézet által biztosított J. Evans Attwell-Welch Posztdoktori Ösztöndíj támogatta a kutatást.