Een team van onderzoekers heeft een draagbare, milieuvriendelijkere methode om waterstofperoxide te produceren. Het zou ziekenhuizen in staat kunnen stellen om op verzoek en tegen lagere kosten zelf het desinfectiemiddel te leveren.

Het werk, een samenwerking tussen de Universiteit van Californië in San Diego, Universiteit van Colombia, Brookhaven Nationaal Laboratorium, de Universiteit van Calgary, en de Universiteit van Californië, Irvine, wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Waterstofperoxide heeft onlangs de krantenkoppen gehaald, aangezien onderzoekers en medische centra in het hele land de haalbaarheid ervan hebben getest bij het ontsmetten van N95-maskers om tekorten tijdens de COVID-19-pandemie op te vangen.

Hoewel de resultaten tot dusver veelbelovend zijn, sommige onderzoekers maken zich zorgen dat de slechte houdbaarheid van de chemische stof dergelijke ontsmettingsinspanningen kostbaar zou kunnen maken.

Het grootste probleem is dat waterstofperoxide niet stabiel is; het begint af te breken in water en zuurstof nog voordat de fles is geopend. Het breekt nog sneller af zodra het wordt blootgesteld aan lucht of licht.

"Je hebt misschien maar een paar maanden om het te gebruiken voordat het verloopt, dus je zou vaker partijen moeten bestellen om een ​​verse voorraad te hebben, " zei Zheng Chen, professor nano-engineering aan de UC San Diego. "En omdat het zo snel ontleedt, verzending en opslag worden erg duur."

Chen en collega's ontwikkelden een snelle, eenvoudige en goedkope methode om waterstofperoxide in huis te genereren met slechts een klein flesje, lucht, een kant-en-klaar elektrolyt, een katalysator en elektriciteit.

"Ons doel is om een ​​draagbare opstelling te creëren die eenvoudig kan worden aangesloten, zodat ziekenhuizen, en zelfs huishoudens, een manier hebben om waterstofperoxide op aanvraag te genereren, "Zei Chen. "Het is niet nodig om het te verzenden, niet nodig om het op te slaan, en geen haast om alles te gebruiken voordat het verloopt. Dit kan tot 50 tot 70% aan kosten besparen."

Een ander voordeel is dat de methode minder toxisch is dan industriële processen.

De methode is gebaseerd op een chemische reactie waarbij één molecuul zuurstof wordt gecombineerd met twee elektronen en twee protonen in een zure elektrolytoplossing om waterstofperoxide te produceren. Dit type reactie staat bekend als de twee-elektronen zuurstofreductiereactie, en het is gebruiksvriendelijk omdat het op verzoek verdund waterstofperoxide met de gewenste concentratie kan produceren. "In de volgende stap we zullen elektrokatalysatoren ontwikkelen die geschikt zijn voor andere elektrolytoplossingen om het bereik van zijn toepassingen verder te vergroten, " zei Qiaowan Chang, afgestudeerde student chemische technologie aan de UC San Diego.

De sleutel om deze reactie te laten plaatsvinden, is een speciale katalysator die het team heeft ontwikkeld. Het bestaat uit koolstofnanobuisjes die gedeeltelijk zijn geoxideerd, wat betekent dat zuurstofatomen aan het oppervlak zijn bevestigd. De zuurstofatomen zijn gebonden aan kleine clusters van drie tot vier palladiumatomen. Deze bindingen tussen de palladiumclusters en zuurstofatomen zorgen ervoor dat de reactie met een hoge selectiviteit en activiteit kan plaatsvinden vanwege de optimale bindingsenergie van het belangrijkste tussenproduct tijdens de reactie.

Jingguang Chen, hoogleraar chemische technologie aan de Columbia University, zei:"De coördinatie tussen met zuurstof gemodificeerde Pd-cluster en de zuurstofbevattende functionele groepen op koolstofnanobuisjes is de sleutel tot het verbeteren van de katalytische prestaties."

Het team ontwikkelde deze methode oorspronkelijk om de recyclingprocessen van batterijen groener te maken. Waterstofperoxide is een van de chemicaliën die worden gebruikt om metalen zoals koper, nikkel, kobalt en magnesium uit gebruikte lithium-ionbatterijen. evenzo, het maakt ook de activering van koolwaterstofmoleculen efficiënter, wat een cruciale stap is in veel industriële chemische processen.

"We werkten al ongeveer anderhalf jaar aan dit project. Terwijl we de zaken aan het afronden waren, de COVID-19-pandemie sloeg toe, " Zei Chen. Het zien van nieuwsberichten over het gebruik van waterstofperoxidedamp om N95-maskers te desinfecteren voor hergebruik motiveerde het team om richtingen te draaien.

"We zagen dat er een dringender behoefte was aan inspanningen om gezondheidswerkers te helpen die mogelijk niet voldoende bescherming hebben, terwijl ze zorgen voor patiënten die lijden aan het nieuwe coronavirus, " hij zei.

Het werk bevindt zich in de proof-of-concept-fase. Vooruit gaan, het team gaat werken aan het optimaliseren en opschalen van de methode voor mogelijk gebruik in ziekenhuizen. Toekomstige studies omvatten het aanpassen van de methode zodat het kan worden gedaan met behulp van een neutrale elektrolyt (eigenlijk een zoutoplossing) in plaats van een zure, die beter zou zijn voor huishoudelijke en klinische toepassingen, zei Chen. Een deel van dit voortdurende werk wordt momenteel ondersteund door het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego.