Een wandelaar raakt gedesoriënteerd tijdens een trektocht door de woestijn als ze een opdrogende plas tegenkomt die is achtergelaten door een recente regenbui.

Verteerd door dorst, mijlen van huis, de wandelaar moet beslissen of hij drinkt en het risico loopt op infectie door welke bacteriën dan ook in de plas, of uitdroging doorstaan. Maar die wandelaar kan op een dag zorgeloos drinken, dankzij een nieuw soort waterzuiveraar die zonlicht en water gebruikt om waterstofperoxide te produceren, een krachtig en veel voorkomend antisepticum.

De experimentele waterzuiveraar, ontwikkeld in het laboratorium van Xiaolin Zheng, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, is een variant van het bekendere proces om met zonne-energie water te splitsen in waterstof, een schoon brandende brandstof, en zuurstof, een levensondersteunend element. Maar, zoals het team beschrijft in het journaal Geavanceerde energiematerialen , in plaats van zuurstof en waterstof volledig te splitsen, het nieuwe proces vermindert zuurstof en oxideert water om waterstofperoxide te produceren, of H ₂ O ₂ .

Zelfs een kleine hoeveelheid zal het water zuiveren, ze zegt. Waterstofperoxide desinfecteert water tot een niveau van tientallen delen per miljoen. Dat is ongeveer twee eetlepels in 25 gallons water. Bij tests met kraanwater het Stanford-systeem bereikte gemakkelijk meer dan 400 delen per miljoen H ₂ O ₂ over vijf uur.

Zheng zegt dat het team tijdens het proces enkele materialen zal moeten veranderen om de mix van gewoon water en waterstofperoxide drinkbaar te maken. Maar ze denken dat op een dag, een persoon met wanhopige dorst kan zijn lichtgewicht zonnezuiveringsinstallatie tevoorschijn halen, giet er wat verdacht H2O in en, voldoende tijd gegeven, genoeg H . produceren ₂ O ₂ door het door de zon geactiveerde proces om van zoet water een ware oase te maken.

Naast toekomstige drinkwatertoepassingen, Zheng en Xinjian Shi, de afgestudeerde student die het project leidt, stel je ook voor dat hun systeem kan worden aangepast tot zelfvoorzienende zwembaden die zijn gezuiverd met door zonne-energie gecreëerd waterstofperoxide in plaats van chloor, of waterzuiveringsstations op zonne-energie voor gebruik in ontwikkelingsregio's waar zoet water een kostbaar goed is.

Overvloedige grondstoffen

Het prototype bestond uit twee elektroden, een anode en een kathode, in het water steken. De anode is gemaakt van bismutvanadaat (BiVO4), een lichtgevoelige halfgeleider. Eenvoudige koolstof diende als kathode. Bij blootstelling aan zonlicht, de bismutvanadaat-halfgeleider stuurde negatief geladen elektronen naar de kathode, terwijl positief geladen dragers - of 'gaten' zoals ze in de natuurkunde worden genoemd - terugstroomden naar de anode. De stroom van elektronen veranderde zuurstof in waterstofperoxide, terwijl de gaten werkten om water om te zetten in waterstofperoxide, het vormen van de zuiverende verbinding op beide elektroden.

Het is een nieuwe kijk op wat in technische kringen bekend staat als een foto-elektrochemisch (PEC) systeem. PEC-systemen zijn sinds de jaren zeventig veel bestudeerd vanwege hun vermogen om zonlicht om te zetten in brandstof en andere nuttige chemicaliën, zoals waterstof en zuurstof. Eerdere PEC-experimenten hebben waterstofperoxide geproduceerd, maar geen van deze eerdere experimenten was zo succesvol als het huidige onderzoek.

"Het onze is een systeem zonder hulp, "Shi zegt, "Het vereist geen energie-input en alleen licht, water en zuurstof aan het werk. Water is de 'brandstof' van ons systeem. In feite, het werkt met kraanwater."

Intrigerend, het systeem produceert waterstofperoxide aan beide kanten van de reactie, aan de anode en de kathode. Aan het einde van dit alles, er is zelfs nog een kleine hoeveelheid elektriciteit over, vanwege de efficiëntie van de chemische reacties. Hoewel niet een groot bedrag, dat extra energie kan worden gebruikt om een ​​LED-lamp te laten branden als een indicatie dat het systeem goed werkt, zeggen de onderzoekers, de dorstige eigenaar met vertrouwen laten drinken.

"We denken dat dit een nieuwe richting is in PEC-watersplitsing, die meestal extra energie-input vereist om te werken, "zegt Zheng.

Werk vooruit

De onderzoekers beschouwen dit artikel als een proof of concept en zeggen dat er nog veel werk moet worden verzet voordat waterstofperoxide-producerende reinigers gemeengoed kunnen worden. Het belangrijkste is, bismutvanadaat - de anode - is zelf giftig en zou moeten worden vervangen door een ander even lichtgevoelig materiaal.

Dr. Samira Siahrostami, een co-auteur van de studie en een onderzoeksingenieur bij het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis in Stanford, geselecteerde bismutvanadaat als anode voor dit prototype vanwege de efficiëntie en het vermogen om waterstofperoxide te genereren. Vooruit gaan, de onderzoekers zijn van plan andere anodematerialen te identificeren die stabiel zijn, efficiënt en veilig voor waterzuivering.

Zheng en Shi suggereren ook dat ze de koolstofkathode zouden kunnen vervangen door een ander materiaal dat ook lichtgevoelig is (koolstof is dat niet). Een dergelijk ontwerp zou een groter bereik van zonnelicht benutten om de efficiëntie van het systeem verder te verbeteren.