Rice University-onderzoekers hebben een "defecte" katalysator gemaakt die de productie van waterstofperoxide uit zuurstof vereenvoudigt.

Rijstwetenschappers behandelden metaalvrij roet, de goedkope, poedervormig product van de aardolieproductie, met zuurstofplasma. Het proces introduceert defecten en zuurstofhoudende groepen in de structuur van de koolstofdeeltjes, waardoor meer oppervlak voor interacties wordt blootgelegd.

Bij gebruik als katalysator, de defecte deeltjes bekend als CB-Plasma reduceren zuurstof tot waterstofperoxide met 100% Faraday-efficiëntie, een maat voor ladingsoverdracht in elektrochemische reacties. Het proces is veelbelovend om de complexe op antrachinon gebaseerde productiemethode te vervangen die dure katalysatoren vereist en giftige organische bijproducten en grote hoeveelheden afvalwater genereert. volgens de onderzoekers.

Het onderzoek van Rice-chemicus James Tour en materiaaltheoreticus Boris Yakobson verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Katalyse .

Waterstofperoxide wordt veel gebruikt als ontsmettingsmiddel, evenals in de afvalwaterbehandeling, in de papier- en pulpindustrie en voor chemische oxidatie. Tour verwacht dat het nieuwe proces het ontwerp van waterstofperoxidekatalysatoren in de toekomst zal beïnvloeden.

"Het hier geschetste elektrochemische proces heeft geen metaalkatalysatoren nodig, en dit zal de kosten verlagen en het hele proces veel eenvoudiger maken, Tour zei. "Een goede constructie van de koolstofstructuur zou geschikte actieve plaatsen kunnen bieden die zuurstofmoleculen verminderen terwijl de O-O-binding behouden blijft, zodat waterstofperoxide het enige product is. Daarnaast, het metaalvrije ontwerp helpt de ontleding van waterstofperoxide te voorkomen."

Plasmabewerking veroorzaakt defecten in roetdeeltjes die verschijnen als vijf- of zevenledige ringen in het atomaire rooster van het materiaal. Het proces verwijdert soms genoeg atomen om vacatures in het rooster te creëren.

De katalysator werkt door twee elektronen uit zuurstof te trekken, waardoor het kan worden gecombineerd met twee waterstofelektronen om waterstofperoxide te creëren. (Het verminderen van zuurstof met vier elektronen, een proces dat wordt gebruikt in brandstofcellen, produceert water als bijproduct.)

"De selectiviteit naar peroxide in plaats van water is niet per se afkomstig van carbon black, maar zoals (co-hoofdauteur en Rice afgestudeerde student) Qin-Kun Li's berekeningen laten zien, van de specifieke defecten die zijn veroorzaakt door plasmaverwerking, " zei Yakobson. "Deze katalytische defectlocaties bevorderen de binding van belangrijke tussenproducten voor de vorming van peroxide, het verlagen van de reactiebarrière en het versnellen van het gewenste resultaat."

Het lab van Tour behandelde ook roet met ultraviolet-ozon en behandelde CB-Plasma na zuurstofreductie met argon om de meeste zuurstofbevattende groepen te verwijderen. CB-UV was niet beter in katalyse dan gewoon roet, maar CB-Argon presteerde net zo goed als CB-Plasma met een nog groter elektrochemisch potentieel, meldde het laboratorium.

Omdat de blootstelling van CB-Plasma aan argon onder hoge temperatuur de meeste zuurstofgroepen verwijderde, het laboratorium concludeerde dat de koolstofdefecten zelf verantwoordelijk waren voor de katalytische reductie tot waterstofperoxide.

De eenvoud van het proces zou een meer lokale productie van de waardevolle chemische stof mogelijk kunnen maken, het verminderen van de noodzaak om het vanuit gecentraliseerde fabrieken te transporteren. Tour merkte op dat CB-Plasma overeenkomt met de efficiëntie van ultramoderne materialen die nu worden gebruikt om waterstofperoxide te genereren.

"Het schalen van dit proces is veel eenvoudiger dan de huidige methoden, en het is zo eenvoudig dat zelfs kleine eenheden kunnen worden gebruikt om waterstofperoxide te genereren op de plaatsen van nood, ' zei Tour.

Het is het tweede proces dat Rice de afgelopen maanden heeft geïntroduceerd om de productie van waterstofperoxide efficiënter te maken. Rijstchemisch en biomoleculair ingenieur Haotian Wang en zijn laboratorium ontwikkelden een op geoxideerde koolstof nanodeeltjes gebaseerde katalysator die de chemische stof uit zonlicht produceert. lucht en water.