Wetenschap
Ingenieurs lossen het mysterie tussen katalyse en corrosie op bij de productie van elektrochemische ozon
Onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh en Drexel University in Philadelphia werken samen met het Brookhaven National Laboratory aan het oplossen van een meerdelig mysterie om waterdesinfectiebehandelingen duurzamer te maken.
Schaalbare technologieën voor elektrochemische ozonproductie (EOP) om vuil water te desinfecteren kunnen op een dag de gecentraliseerde chloorbehandelingen vervangen die tegenwoordig worden gebruikt, zowel in moderne steden als in afgelegen dorpen. Er is echter weinig bekend over EOP op moleculair niveau en hoe technologieën die dit mogelijk maken efficiënt, economisch en duurzaam kunnen worden gemaakt.
Hun onderzoek, "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production", werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Catalysis .
De hoofdauteur is Drexel Ph.D. student Rayan Alaufey, met bijdragende onderzoekers van Drexel, waaronder co-PI Maureen Tang, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie, postdoctoraal onderzoeker Andrew Lindsay, Ph.D. student Tana Siboonruang, en Ezra Wood, universitair hoofddocent scheikunde; co-PI John A. Keith, universitair hoofddocent chemische en petroleumtechniek, en afgestudeerde student Lingyan Zhao uit Pitt; en Qin Wu uit Brookhaven.
"Mensen gebruiken chloor al sinds de 19e eeuw om drinkwater te behandelen, maar tegenwoordig begrijpen we beter dat chloor niet altijd de beste optie is. EOP kan bijvoorbeeld ozon, een molecuul met ongeveer dezelfde desinfecterende kracht als chloor, rechtstreeks in water genereren. .
"In tegenstelling tot chloor dat stabiel in water blijft zitten, ontleedt ozon in water op natuurlijke wijze na ongeveer 20 minuten, wat betekent dat het minder waarschijnlijk is dat het mensen beschadigt als ze water uit de kraan drinken, in een zwembad zwemmen of bij het reinigen van wonden in een ziekenhuis." legde Keith uit, die ook R.K. Mellon Faculty Fellow in Energie aan Pitt's Swanson School of Engineering.
"EOP voor duurzame desinfectie zou in sommige markten heel logisch zijn, maar om dit te doen is een katalysator nodig die goed genoeg is, en omdat niemand nog een goed genoeg EOP-katalysator heeft gevonden, is EOP te duur en energie-intensief voor breder gebruik." P>
"Mijn collega's en ik dachten dat als we op atomair niveau konden decoderen wat een middelmatige EOP-katalysator doet werken, we misschien een nog betere EOP-katalysator konden ontwikkelen."
Het oplossen van het mysterie van hoe EOP-katalysatoren werken is cruciaal om te begrijpen hoe je een van de meest veelbelovende en minst giftige EOP-katalysatoren die tot nu toe bekend zijn, beter kunt ontwikkelen:met nikkel en antimoon gedoteerd tinoxide (Ni/Sb–SnO2
sub> , of de NAVO).
Daarin, zei Keith, ligt het raadsel:wat doet de rol van elk atoom in de NAVO om EOP te helpen? Wordt ozon katalytisch gevormd op de manier die wij willen, of ontstaat het omdat de katalysator aan het ontbinden is, en moet er in de toekomst werk worden gedaan om de NAVO-katalysatoren stabieler te maken?
Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat het waarschijnlijk een mix van beide is.
Door experimentele elektrochemische analyses, massaspectrometrie en computationele kwantumchemische modellen te gebruiken, creëerden de onderzoekers een verhaallijn op atomaire schaal om uit te leggen hoe ozon wordt gegenereerd op NAVO-elektrokatalysatoren.
Voor het eerst hebben ze vastgesteld dat een deel van het nikkel in de NAVO waarschijnlijk via corrosie uit de elektroden lekt, en dat deze nikkelatomen, die nu in de oplossing nabij de katalysator drijven, chemische reacties kunnen bevorderen die uiteindelijk ozon genereren.
“Als we een betere elektrokatalysator willen maken, moeten we begrijpen welke onderdelen wel en niet werken. Factoren zoals het uitlekken van metaalionen, corrosie en oplossingsfasereacties kunnen de indruk wekken dat een katalysator op één manier werkt, terwijl hij in werkelijkheid werkt. op een andere manier."
Keith merkte op dat het identificeren van de prevalentie van corrosie en chemische reacties die plaatsvinden buiten de katalysator belangrijke stappen zijn om opheldering te krijgen voordat andere onderzoekers verbeteringen aan EOP en andere elektrokatalytische processen kunnen nastreven.
In hun conclusie merken zij op:"Het identificeren of weerleggen van het bestaan van dergelijke fundamentele technologische beperkingen zal van cruciaal belang zijn voor toekomstige toepassingen van EOP en andere geavanceerde elektrochemische oxidatieprocessen."
“We weten dat elektrochemische waterbehandeling op kleine schaal werkt, maar de ontdekking van betere katalysatoren zal dit naar een mondiale schaal tillen. De volgende stap is het vinden van nieuwe atomaire combinaties in materialen die beter bestand zijn tegen corrosie, maar ook economisch en duurzaam levensvatbare EOP bevorderen. ," zei Keith.