Australische onderzoekers onder leiding van de Universiteit van New South Wales hebben de Australische Synchrotron gebruikt om te begrijpen hoe de chemische structuur van een geavanceerd katalytisch materiaal bijdraagt ​​aan de stabiliteit en efficiëntie ervan. De aanpak heeft het potentieel om waterstofperoxide (H2O2) te produceren in een proces dat kosteneffectief is met minder schade aan het milieu.

Waterstofperoxide is een belangrijke chemische stof die veel wordt gebruikt in een reeks toepassingen, inclusief afvalwaterzuivering, desinfectie, papier/pulp bleken, halfgeleider reiniging, mijnbouw en metaalverwerking, brandstofcellen en in chemische synthese.

Volgens een internationale marktonderzoeksgroep IMARC, de wereldwijde marktomvang voor waterstofperoxide werd in 2017 geschat op 4,0 miljard dollar en neemt toe.

De huidige productiemethoden zijn afhankelijk van grote chemische fabrieken, waar waterstof, atmosferische zuurstof en een antrachinonderivaat worden gebruikt in een reactiecyclus, dat is duur, vereist een hoog energieverbruik en is niet milieuvriendelijk.

Een alternatieve benadering is gebaseerd op de elektrochemische reductie van zuurstof (zuurstofreductiereactie) in zuren, wat kan worden gedaan onder omgevingsomstandigheden zonder gevaarlijke bijproducten.

Echter, state-of-the-art katalysatoren voor de productie van waterstofperoxide in zuren zijn beperkt tot de edele metalen, platina en palladium.

Andere pogingen om de overgangsmetalen te gebruiken, ijzer, nikkel en kobalt, resulteerde in een onstabiele structuur en slechte prestaties.

In deze studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoekers reconstrueerden het oppervlak van een materiaal door koolstofnanobuizen te doteren met kobalt en stikstof om katalysatoren met enkelvoudige atomen op het substraat te vormen in een poging de stikstofgecoördineerde metaalcentra te stabiliseren.

Experimenten met zachte röntgenstralen in het Australische Synchrotron hebben geholpen om te verduidelijken en te bevestigen hoe de structuur de elektrochemische reacties mogelijk maakte die nodig zijn om waterstofperoxide te produceren.

"We gebruikten een techniek die bekend staat als NEXAFS, near-edge X-ray absorptie fijne structuur spectroscopie, om te kijken naar de coördinatie- of oxidatietoestand van verschillende elementen van belang:kobalt, koolstof en zuurstof, " zei dr. Lars Thomsen, Senior Instrument Scientist en co-auteur.

De binding van epoxygroepen (waarbij enkelvoudige bindingen een zuurstofatoom verbinden met twee aangrenzende atomen) in plaats van hydroxylgroepen aan de stikstofgecoördineerde kobalt-nikkelcentra op een koolstofsubstraat droeg bij aan de stabiliteit van het materiaal en de katalytische efficiëntie ervan.

De onderzoekers rapporteerden dat de structuur resulteert in een bijna ideale bindingsenergie waardoor de zuurstofreductiereactie kan verlopen via een bijna volledige overdrachtsroute met twee elektronen.

belangrijk, de onderzochte monsters vertoonden ook een recordproductie van waterstofperoxide, en presteerde beter dan bijna alle eerder gerapporteerde katalysatormaterialen.

"Een van de belangrijkste overwegingen is het vermogen om zowel een goede opbrengst als milieuvoordelen te leveren, om te zien dat de industrie ingang vindt, " zei Thomsen, die werkte aan de synthese van de productiemethode voor groen staal als een Ph.D. kandidaat.

Naast het verklaren van het versterkende effect van de epoxygroepen op de productie van waterstofperoxide, het onderzoek biedt inzichten om de prestaties van enkelatoomkatalysatoren in zure brandstofcellen te stabiliseren.

Andere röntgenexperimenten werden uitgevoerd bij de Advanced Photon Source in de VS.

Het onderzoek werd geleid door Ph.D. kandidaat Qingran Zhang van het Particle and Catalysis Research Laboratory onder leiding van Prof Rose Amal bij UNSW. Andere medewerkers waren de Australian National University en CSIRO.