Gli scienziati della Rice University hanno introdotto il nerofumo trattato con plasma come catalizzatore semplice e altamente efficiente per la produzione di perossido di idrogeno. I difetti creati nel carbonio forniscono più siti catalitici per ridurre l'ossigeno a perossido di idrogeno. Credito:Tour Group/Yakobson Research Group/Rice University
I ricercatori della Rice University hanno creato un catalizzatore "difettoso" che semplifica la generazione di perossido di idrogeno dall'ossigeno.
Gli scienziati del riso hanno trattato il nerofumo privo di metalli, il poco costoso, prodotto in polvere della produzione petrolifera, con plasma di ossigeno. Il processo introduce difetti e gruppi contenenti ossigeno nella struttura delle particelle di carbonio, esponendo più superficie per le interazioni.
Se usato come catalizzatore, le particelle difettose note come plasma CB riducono l'ossigeno in perossido di idrogeno con un'efficienza faradaica del 100%, una misura del trasferimento di carica nelle reazioni elettrochimiche. Il processo promette di sostituire il complesso metodo di produzione a base di antrachinone che richiede catalizzatori costosi e genera sottoprodotti organici tossici e grandi quantità di acque reflue, secondo i ricercatori.
La ricerca del chimico della Rice James Tour e del teorico dei materiali Boris Yakobson appare sulla rivista dell'American Chemical Society Catalisi ACS .
Il perossido di idrogeno è ampiamente usato come disinfettante, così come nel trattamento delle acque reflue, nell'industria della carta e della pasta di legno e per l'ossidazione chimica. Tour prevede che il nuovo processo influenzerà la progettazione di catalizzatori di perossido di idrogeno in futuro.
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra i dettagli delle particelle di nerofumo dopo il trattamento con il plasma. Difetti nel reticolo di carbonio causati dal plasma di ossigeno migliorano la capacità del materiale di catalizzare la produzione di perossido di idrogeno, secondo gli scienziati della Rice University. Credito:Tour Group/Yakobson Research Group/Rice University
"Il processo elettrochimico qui delineato non ha bisogno di catalizzatori metallici, e questo ridurrà il costo e renderà l'intero processo molto più semplice, " Tour ha detto. "Una corretta ingegneria della struttura del carbonio potrebbe fornire siti attivi adatti che riducono le molecole di ossigeno mantenendo il legame O-O, in modo che il perossido di idrogeno sia l'unico prodotto. A parte quello, il design privo di metalli aiuta a prevenire la decomposizione del perossido di idrogeno."
L'elaborazione al plasma crea difetti nelle particelle di nerofumo che appaiono come anelli a cinque o sette membri nel reticolo atomico del materiale. Il processo a volte rimuove atomi sufficienti per creare posti vacanti nel reticolo.
Il catalizzatore funziona estraendo due elettroni dall'ossigeno, permettendogli di combinarsi con due elettroni di idrogeno per creare perossido di idrogeno. (Riducendo l'ossigeno di quattro elettroni, un processo utilizzato nelle celle a combustibile, produce acqua come sottoprodotto.)
"La selettività verso il perossido piuttosto che verso l'acqua non deriva dal nerofumo di per sé ma, come mostrano i calcoli di Qin-Kun Li (co-autore principale e studente laureato alla Rice), dai difetti specifici creati dalla lavorazione al plasma, " ha detto Yakobson. "Questi siti di difetto catalitico favoriscono il legame di intermedi chiave per la formazione di perossido, abbassando la barriera di reazione e accelerando il risultato desiderabile."
Il laboratorio di Tour ha anche trattato il nerofumo con ozono ultravioletto e trattato CB-Plasma dopo la riduzione dell'ossigeno con argon per rimuovere la maggior parte dei gruppi contenenti ossigeno. CB-UV non era migliore nella catalisi del semplice nerofumo, ma CB-Argon si è comportato altrettanto bene come CB-Plasma con una gamma ancora più ampia di potenziale elettrochimico, ha riferito il laboratorio.
Gli scienziati della Rice University hanno rivelato un nuovo catalizzatore, nerofumo trattato al plasma, per ridurre l'ossigeno a prezioso perossido di idrogeno. Il processo introduce difetti al nido d'ape atomico del materiale di carbonio, fornendo più superficie per le reazioni. Credito:per gentile concessione del Tour Group/Yakobson Research Group
Poiché l'esposizione del plasma CB all'argon ad alta temperatura ha rimosso la maggior parte dei gruppi di ossigeno, il laboratorio ha dedotto che i difetti del carbonio stessi erano responsabili della riduzione catalitica a perossido di idrogeno.
La semplicità del processo potrebbe consentire una generazione più locale della preziosa sostanza chimica, riducendo la necessità di trasportarlo da impianti centralizzati. Tour ha notato che il plasma CB corrisponde all'efficienza dei materiali all'avanguardia ora utilizzati per generare perossido di idrogeno.
"Ridimensionare questo processo è molto più semplice dei metodi attuali, ed è così semplice che anche piccole unità potrebbero essere utilizzate per generare perossido di idrogeno nei siti di bisogno, " Disse Giro.
Il processo è il secondo introdotto da Rice negli ultimi mesi per rendere più efficiente la produzione del perossido di idrogeno. L'ingegnere chimico e biomolecolare del riso Haotian Wang e il suo laboratorio hanno sviluppato un catalizzatore a base di nanoparticelle di carbonio ossidato che produce la sostanza chimica dalla luce solare, aria e acqua.
