Beperkte toegang tot schoon water is een groot probleem voor miljarden mensen in ontwikkelingslanden, waar waterbronnen vaak verontreinigd zijn met stedelijke, industrieel en landbouwafval. Veel ziekteverwekkende organismen en organische verontreinigende stoffen kunnen snel uit het water worden verwijderd met waterstofperoxide zonder dat er schadelijke chemicaliën achterblijven. Echter, de productie en distributie van waterstofperoxide is in veel delen van de wereld een uitdaging.

Nu hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University een klein apparaat gemaakt voor de productie van waterstofperoxide dat kan worden aangedreven door hernieuwbare energiebronnen, zoals conventionele zonnepanelen.

"Het idee is om een ​​elektrochemische cel te ontwikkelen die ter plaatse waterstofperoxide genereert uit zuurstof en water. en vervolgens dat waterstofperoxide in grondwater gebruiken om organische verontreinigingen te oxideren die schadelijk zijn voor de mens om in te nemen, " zei Chris Hahn, een SLAC associate staff scientist.

Hun resultaten werden op 1 maart gerapporteerd in Reactiechemie en techniek .

Het project was een samenwerking tussen drie onderzoeksgroepen van het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, die gezamenlijk wordt beheerd door SLAC en Stanford University.

"De meeste projecten hier bij SUNCAT volgen een soortgelijk pad, " zei Zhihua (Bill) Chen, een afgestudeerde student in de groep van Tom Jaramillo, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford. "Ze gaan uit van voorspellingen op basis van theorie, stap over op de ontwikkeling van katalysatoren en maak uiteindelijk een prototype-apparaat met een praktische toepassing."

In dit geval, onderzoekers in de theoriegroep onder leiding van SLAC/Stanford Professor Jens Nørskov gebruikten computationele modellering, op atomaire schaal, op koolstof gebaseerde katalysatoren te onderzoeken die de kosten kunnen verlagen en de efficiëntie van de productie van waterstofperoxide kunnen verhogen. Uit hun onderzoek bleek dat de meeste defecten in deze materialen van nature selectief zijn voor het genereren van waterstofperoxide, en sommige zijn ook zeer actief. Aangezien er tijdens het groeiproces op natuurlijke wijze defecten kunnen ontstaan ​​in de op koolstof gebaseerde materialen, de belangrijkste bevinding was om een ​​materiaal te maken met zoveel mogelijk defecten.

"Mijn vorige katalysator voor deze reactie gebruikte platina, die te duur is voor decentrale waterzuivering, " zei onderzoeksingenieur Samira Siahrostami. "Het mooie van ons goedkopere materiaal op koolstofbasis is dat het een enorm aantal defecten heeft die actieve plaatsen zijn voor het katalyseren van de productie van waterstofperoxide."

Stanford afgestudeerde student Shucheng Chen, die samenwerkt met Stanford Professor Zhenan Bao, bereidde vervolgens de koolstofkatalysatoren en mat hun eigenschappen. Met de hulp van SSRL-stafwetenschappers Dennis Nordlund en Dimosthenis Sokaras, deze katalysatoren werden ook gekarakteriseerd met behulp van röntgenstralen bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"We waren afhankelijk van onze experimenten bij SSRL om de structuur van ons materiaal beter te begrijpen en te controleren of het de juiste soorten defecten had, ' zei Shucheng Chen.

Eindelijk, hij gaf de middelman door aan zijn kamergenoot Bill Chen, wie heeft ontworpen, hun apparaat hebben gebouwd en getest.

"Ons apparaat heeft drie compartimenten, ' legde Bill Chen uit. 'In de eerste kamer, zuurstofgas stroomt door de kamer, grenst aan de door Shucheng gemaakte katalysator en wordt gereduceerd tot waterstofperoxide. Het waterstofperoxide komt dan in de middelste kamer, waar het wordt opgeslagen in een oplossing." In een derde kamer, een andere katalysator zet water om in zuurstofgas, en de cyclus begint opnieuw.

Het scheiden van de twee katalysatoren met een middelste kamer maakt het apparaat goedkoper, eenvoudiger en robuuster dan ze te scheiden met een standaard semi-permeabel membraan, die kan worden aangevallen en afgebroken door het waterstofperoxide.

Het apparaat kan ook draaien op hernieuwbare energiebronnen die beschikbaar zijn in dorpen. De elektrochemische cel is in wezen een elektrisch circuit dat werkt met een kleine spanning erover. De reactie in kamer één zet elektronen in zuurstof om waterstofperoxide te maken, die wordt gecompenseerd door een tegenreactie in kamer drie die elektronen uit water haalt om zuurstof te maken - passend bij de stroom en het circuit voltooien. Aangezien het apparaat slechts ongeveer 1,7 volt nodig heeft tussen de katalysatoren, het kan werken op een batterij of op twee standaard zonnepanelen.

De onderzoeksgroepen werken nu aan een apparaat met een hogere capaciteit.

Momenteel bevat de middelste kamer slechts ongeveer 10 microliter waterstofperoxide; ze willen het groter maken. Ze proberen ook continu de vloeistof in de middelste kamer te laten circuleren om waterstofperoxide er snel uit te pompen. dus de grootte van de opslagruimte beperkt de productie niet langer.

Ook willen ze waterstofperoxide in hogere concentraties maken. Echter, slechts enkele milligrammen zijn nodig om één liter water te behandelen, en het huidige prototype levert al een voldoende concentratie op, dat is een tiende van de concentratie waterstofperoxide die je in de winkel koopt voor je medische basisbehoeften.

Op de lange termijn, het team wil de alkalische omgeving in de cel veranderen in een neutrale omgeving die meer op water lijkt. Dit zou het voor mensen gemakkelijker maken om te gebruiken, omdat het waterstofperoxide direct met drinkwater kan worden gemengd zonder het eerst te neutraliseren.

De teamleden zijn enthousiast over hun resultaten en voelen dat ze op de goede weg zijn om een ​​praktisch apparaat te ontwikkelen.

"Momenteel is het nog maar een prototype, maar persoonlijk denk ik dat het zal schitteren op het gebied van gedecentraliseerde waterzuivering voor de derde wereld, "zei Bill Chen. "Het is als een magische doos. Ik hoop dat het werkelijkheid kan worden."