De productie van waterstofperoxide kan veel veiliger en eenvoudiger via een proces dat is ontwikkeld aan de Rice University.

Een reactor ontwikkeld door Haotian Wang en zijn collega's van Rice's Brown School of Engineering heeft alleen lucht nodig, water en elektriciteit om de waardevolle chemische stof in de gewenste concentratie en hoge zuiverheid te maken.

Hun elektrosyntheseproces, gedetailleerd in Wetenschap , maakt gebruik van een katalysator op basis van geoxideerde koolstof nanodeeltjes en kan de productie van zuivere waterstofperoxide-oplossingen op het gebruikspunt mogelijk maken, het elimineren van de noodzaak om de geconcentreerde chemische stof te transporteren, wat gevaarlijk is.

Door een vast elektrolyt te gebruiken in plaats van traditioneel vloeibaar elektrolyt, het elimineert ook de noodzaak voor productscheiding of -zuivering die wordt gebruikt in huidige processen, er zullen dus geen verontreinigende ionen bij betrokken zijn.

"Als we elektriciteit hebben van een zonnepaneel, we kunnen letterlijk waterstofperoxide krijgen van alleen zonlicht, lucht en water, " zei Wang. "We hoeven geen gebruik te maken van organische stoffen of fossiele brandstoffen. Waterstofperoxidesynthese door traditionele, enorme chemische fabrieken produceren organisch afval, verbruikt fossiele brandstoffen en stoot koolstofdioxide uit. Wat we doen is groene synthese."

Waterstofperoxide wordt veel gebruikt als antisepticum, een wasmiddel, in cosmetica, als bleekmiddel en bij waterzuivering, naast vele andere toepassingen. De verbinding wordt geproduceerd in industriële concentraties tot 60% oplossing met water, maar in veel voorkomende toepassingen, de oplossing is veel meer verdund.

"Industriële waterstofperoxide moet in hoge concentraties worden getransporteerd om de economie te maximaliseren, ' zei Wang.

"Transport is gevaarlijk en kostbaar omdat de geconcentreerde verbinding onstabiel is. Waterstofperoxide wordt ook na verloop van tijd afgebroken, en moet worden opgeslagen zodra het zijn bestemming bereikt.

"Onze technologie delokaliseert de productie van waterstofperoxide, " zei hij. "Naarmate de input van hernieuwbare elektriciteit goedkoper wordt, lucht is gratis en water is ook goedkoop, ons product moet qua prijs concurrerend zijn.

"In plaats van containers met waterstofperoxide op te slaan, ziekenhuizen die het als desinfectiemiddel gebruiken, kunnen in de toekomst een kraan opendraaien en krijgen, bijvoorbeeld, een 3% oplossing op aanvraag, " zei Wang. "In plaats van chemicaliën op te slaan om zwembadwater te desinfecteren, huiseigenaren kunnen een schakelaar omdraaien en de reactor aanzetten om hun zwembaden schoon te maken."

De Rice-reactor lijkt enigszins op een brandstofcel, met aan weerszijden elektroden om waterstof (of water) en zuurstof (uit lucht) te verwerken, door ze naar katalysatoren te voeren op twee elektroden die een ionisch geleidende poreuze vaste elektrolyt als sandwich hebben.

"Een brandstofcel minimaliseert de productie van waterstofperoxide om alleen water te produceren met een maximale energie-efficiëntie, " zei Rice postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Chuan Xia. "In ons geval, we willen in plaats daarvan waterstofperoxide maximaliseren, en hebben onze katalysator daarop afgestemd."

De goedkope roetkatalysator, gezet in een vast elektrolyt en geoxideerd om de reactiviteit te verbeteren, verschuift het zuurstofreductiepad naar de gewenste chemische stof met snelheden en concentraties die worden bepaald door de aangelegde spanning, lucht- en watertoevoer en een constante toevoer van gedeïoniseerd water. De reactie vindt plaats bij omgevingstemperaturen en drukken.

Co-hoofdauteur Yang Xia, een tweedejaarsstudent in het Wang-lab, zei dat de katalysator robuust genoeg bleek om een ​​zuivere oplossing van 1% waterstofperoxide gedurende 100 ononderbroken uren in het laboratorium te synthetiseren met verwaarloosbare degradatie.

Wang zei dat het laboratorium van plan is om zowel grotere reactoren als plug-and-play-componenten te ontwikkelen met het oog op testen met industriële partners. Hij ziet grote kansen voor toepassingen op industriële schaal, zoals gemeentelijke waterzuiveringssystemen. Het Rice-lab heeft lage concentraties van zijn product getest op regenwater op de campus en heeft bewezen dat het in staat is organische koolstofverontreinigingen te verwijderen.

"Er zijn zoveel potentiële toepassingen, "zei hij. "Voordien, elektrochemische synthese van waterstofperoxide werd beperkt door het productscheidings- of zuiveringsproces, maar we hebben de grote barrière voor praktische toepassingen opgelost."

Rijst afgestudeerde student Peng Zhu en academische bezoeker Lei Fan zijn co-auteurs van het artikel. Wang is de William Marsh Rice Trustee Chair, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering en een 2019 CIFAR Azrieli Global Scholar.

Rice University en de J. Evans Attwell-Welch Postdoctoral Fellowship van het Smalley-Curl Institute ondersteunden het onderzoek.