Un reattore sviluppato dai chimici della Rice University produce perossido di idrogeno dall'aria, acqua ed elettricità. Il metodo ecologico promette di fornire soluzioni personalizzate della sostanza chimica al momento della domanda. Credito:Brandon Martin/Rice University
La produzione di perossido di idrogeno può essere molto più sicura e semplice attraverso un processo sviluppato alla Rice University.
Un reattore sviluppato da Haotian Wang e dai suoi colleghi della Brown School of Engineering di Rice richiede solo aria, acqua ed elettricità per produrre la preziosa sostanza chimica nella concentrazione desiderata e nell'elevata purezza.
Il loro processo di elettrosintesi, dettagliato in Scienza , utilizza un catalizzatore a base di nanoparticelle di carbonio ossidato e potrebbe consentire la produzione al punto d'uso di soluzioni di perossido di idrogeno puro, eliminando la necessità di trasportare la sostanza chimica concentrata, che è pericoloso.
Utilizzando un elettrolita solido invece del tradizionale elettrolita liquido, elimina anche la necessità di separazione o purificazione del prodotto utilizzata nei processi attuali, quindi non saranno coinvolti ioni contaminanti.
"Se abbiamo elettricità da un pannello solare, possiamo letteralmente ottenere il perossido di idrogeno solo dalla luce del sole, aria e acqua, " ha detto Wang. "Non abbiamo bisogno di coinvolgere i prodotti organici o il consumo di combustibili fossili. Sintesi del perossido di idrogeno per via tradizionale, enormi impianti di ingegneria chimica generano rifiuti organici, consuma combustibili fossili ed emette anidride carbonica. Quello che stiamo facendo è sintesi verde".
Lo studente laureato della Rice University Yang Xia mostra l'uscita di un nuovo reattore che utilizza solo aria, acqua ed elettricità per produrre acqua ossigenata su richiesta. Credito:Brandon Martin/Rice University
Il perossido di idrogeno è ampiamente usato come antisettico, un detersivo, nei cosmetici, come agente sbiancante e nella purificazione dell'acqua, tra molte altre applicazioni. Il composto viene prodotto in concentrazioni industriali fino al 60% di soluzione con acqua, ma in molti usi comuni, la soluzione è molto più diluita.
"Il perossido di idrogeno industriale deve essere trasportato in alte concentrazioni per massimizzare l'economia, "Ha detto Wang.
"Il trasporto è pericoloso e costoso perché il composto concentrato è instabile. Anche il perossido di idrogeno si degrada nel tempo, e deve essere conservato una volta arrivato a destinazione.
"La nostra tecnologia delocalizza la produzione di perossido di idrogeno, " ha detto. "Poiché l'immissione di elettricità rinnovabile diventa più economica, l'aria è gratis e anche l'acqua costa poco, il nostro prodotto dovrebbe essere competitivo in termini di prezzo.
"Invece di immagazzinare contenitori di perossido di idrogeno, gli ospedali che lo usano come disinfettante potrebbero in futuro aprire un rubinetto e ottenere, ad esempio, una soluzione al 3% su richiesta, "Ha detto Wang. "Invece di conservare i prodotti chimici per disinfettare l'acqua della piscina, i proprietari di casa possono premere un interruttore e accendere il reattore per pulire le loro piscine".
Da sinistra, I ricercatori della Rice University Yang Xia, Chuan Xia e Haotian Wang dimostrano come il perossido di idrogeno appena prodotto dal loro reattore purifica un contaminante nell'acqua. Il reattore usa solo aria, acqua ed elettricità per produrre la preziosa sostanza chimica. Credito:Brandon Martin/Rice University
Il reattore di riso è in qualche modo simile a una cella a combustibile, con elettrodi su entrambi i lati per elaborare idrogeno (o acqua) e ossigeno (dall'aria), alimentandoli a catalizzatori su due elettrodi che racchiudono un elettrolita solido poroso ionicamente conduttivo.
"Una cella a combustibile riduce al minimo la produzione di perossido di idrogeno per produrre solo acqua con la massima efficienza energetica, ", ha affermato il ricercatore post-dottorato di Rice e autore principale Chuan Xia. "Nel nostro caso, vogliamo invece massimizzare il perossido di idrogeno, e abbiamo messo a punto il nostro catalizzatore per farlo."
Il catalizzatore nerofumo a basso costo, incastonato in un elettrolita solido e ossidato per aumentarne la reattività, sposta il percorso di riduzione dell'ossigeno verso la sostanza chimica desiderata a velocità e concentrazioni determinate dalla tensione applicata, aria e acqua e una fornitura costante di acqua deionizzata. La reazione avviene a temperatura e pressione ambiente.
Co-autore Yang Xia, uno studente laureato del secondo anno nel laboratorio Wang, ha affermato che il catalizzatore si è dimostrato abbastanza robusto da sintetizzare una soluzione pura di perossido di idrogeno all'1% in peso per 100 ore continue in laboratorio con una degradazione trascurabile.
Wang ha affermato che il laboratorio prevede di progettare sia reattori più grandi che componenti plug-and-play con un occhio ai test con i partner industriali. Vede grandi promesse per applicazioni su scala industriale come i sistemi di purificazione dell'acqua municipale. Il laboratorio Rice ha testato basse concentrazioni del suo prodotto sull'acqua piovana del campus e ha dimostrato la sua capacità di rimuovere i contaminanti organici di carbonio.
"Ci sono così tante potenziali applicazioni, " ha detto. "Prima di questo, la sintesi elettrochimica del perossido di idrogeno era limitata dal suo processo di separazione o purificazione del prodotto, ma abbiamo risolto il grande ostacolo alle applicazioni pratiche."
Lo studente laureato di Rice Peng Zhu e il visitatore accademico Lei Fan sono coautori del documento. Wang è il presidente fiduciario del William Marsh Rice, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare e un 2019 CIFAR Azrieli Global Scholar.
La Rice University e la J. Evans Attwell-Welch Postdoctoral Fellowship fornita dallo Smalley-Curl Institute hanno sostenuto la ricerca.
