I ricercatori australiani guidati dall'Università del New South Wales hanno utilizzato il sincrotrone australiano per capire come la struttura chimica di un materiale catalitico avanzato contribuisce alla sua stabilità ed efficienza. L'approccio ha il potenziale per produrre perossido di idrogeno (H2O2) in un processo che è conveniente con meno danni per l'ambiente.

Il perossido di idrogeno è una sostanza chimica importante ampiamente utilizzata in una vasta gamma di applicazioni, compreso il trattamento delle acque reflue, disinfezione, sbiancamento di carta/polpa, pulizia dei semiconduttori, estrazione mineraria e lavorazione dei metalli, celle a combustibile e nella sintesi chimica.

Secondo un gruppo di ricerche di mercato internazionale, IMARC, la dimensione del mercato globale del perossido di idrogeno è stata valutata in US $ 4,0 miliardi nel 2017 ed è in aumento.

Gli attuali metodi di produzione si basano su grandi impianti chimici, dove l'idrogeno, ossigeno atmosferico e un derivato antrachinonico sono utilizzati in un ciclo di reazione, che è costoso, richiede un elevato consumo di energia e non è ecologico.

Un approccio alternativo si basa sulla riduzione elettrochimica dell'ossigeno (reazione di riduzione dell'ossigeno) negli acidi, che può essere fatto in condizioni ambientali senza sottoprodotti pericolosi.

Però, catalizzatori all'avanguardia per la produzione di perossido di idrogeno negli acidi sono stati limitati ai metalli preziosi, platino e palladio.

Altri tentativi di utilizzare i metalli di transizione, ferro da stiro, nichel e cobalto, ha provocato una struttura instabile e scarse prestazioni.

In questo studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno ricostruito la superficie di un materiale drogando nanotubi di carbonio con cobalto e azoto per formare catalizzatori a singoli atomi sul substrato nel tentativo di stabilizzare i centri metallici coordinati all'azoto.

Gli esperimenti che utilizzano raggi X molli presso l'Australian Synchrotron hanno contribuito a chiarire e confermare come la struttura abbia facilitato le reazioni elettrochimiche necessarie per produrre perossido di idrogeno.

"Abbiamo usato una tecnica nota come NEXAFS, spettroscopia a struttura fine di assorbimento di raggi X near-edge, per esaminare la coordinazione o lo stato di ossidazione di vari elementi di interesse:cobalto, carbonio e ossigeno, " ha detto il dottor Lars Thomsen, Senior Instrument Scientist e co-autore.

Il legame di gruppi epossidici (in cui singoli legami uniscono un atomo di ossigeno a due atomi adiacenti) piuttosto che gruppi ossidrilici ai centri di cobalto-nichel coordinati all'azoto su un substrato di carbonio ha contribuito alla stabilità del materiale e alla sua efficienza catalitica.

I ricercatori hanno riferito che la struttura si traduce in un'energia di legame quasi ideale che consente alla reazione di riduzione dell'ossigeno di procedere attraverso un percorso di trasferimento di due elettroni quasi completo.

È importante sottolineare che i campioni studiati hanno anche mostrato una produzione record di perossido di idrogeno, e ha superato quasi tutti i materiali catalitici riportati in precedenza.

"Una delle considerazioni più importanti è la capacità di fornire una buona resa e vantaggi ambientali, per vedere una diffusione nell'industria, " disse Thomsen, che ha lavorato alla sintesi del metodo di produzione dell'acciaio verde come dottorato di ricerca. candidato.

Oltre a spiegare l'effetto di potenziamento dei gruppi epossidici sulla produzione di perossido di idrogeno, la ricerca fornisce approfondimenti per stabilizzare le prestazioni dei catalizzatori a singolo atomo nelle celle a combustibile acide.

Altri esperimenti a raggi X sono stati intrapresi presso l'Advanced Photon Source negli Stati Uniti.

La ricerca è stata condotta dal Ph.D. il candidato Qingran Zhang del Particle and Catalysis Research Laboratory guidato dalla prof.ssa Rose Amal dell'UNSW. Altri collaboratori includevano l'Australian National University e il CSIRO.