Gli scienziati dell'Istituto Hefei di Scienze Fisiche dell'Accademia Cinese delle Scienze hanno sintetizzato un singolo atomo di Fe e un catalizzatore a grappolo di atomi coordinato con l'ossigeno che mostra prestazioni elettrocatalitiche superiori per il perossido di idrogeno (H2 O2 ) produzione e valorizzazione della biomassa. La ricerca è pubblicata in Angewandte Chemie International Edition .
H2 O2 è una sostanza chimica ampiamente utilizzata con applicazioni in diversi campi come l'ambiente, l'energia e l'assistenza sanitaria. Sebbene tradizionalmente prodotta attraverso processi ad alto consumo energetico, la sintesi elettrocatalitica offre un metodo più rispettoso dell'ambiente ed efficiente utilizzando acqua e ossigeno.
Tuttavia, questo approccio richiede elettrocatalizzatori avanzati per H2 selettivo e ad alto rendimento O2 produzione, ed è necessaria ulteriore attenzione per utilizzare l'H2 generato O2 , in particolare nei processi elettrochimici di ossidazione organica. Ciò offre un potenziale significativo per applicazioni a valore aggiunto oltre al risanamento ambientale.
Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato la cellulosa batterica come regolatore di adsorbimento e fonte di carbonio in combinazione con un approccio in più fasi che prevedeva processi di impregnazione chimica umida, pirolisi e attacco con acido per creare un catalizzatore chiamato carbonio derivato dalla cellulosa batterica FeSAs/ACs ( BCC), costituito da singoli atomi di Fe (SA) coordinati con l'ossigeno e cluster di atomi (AC).
La presenza sia di Fe SA che di cluster è stata confermata utilizzando tecniche di imaging avanzate come la microscopia elettronica a trasmissione con scansione con correzione dell'aberrazione. La struttura atomica del Fe è stata determinata anche mediante spettroscopia di assorbimento della struttura fine a raggi X e spettroscopia fotoelettronica a raggi X.
Questo catalizzatore ha mostrato eccellenti prestazioni elettrocatalitiche e selettività per la reazione di riduzione dell'ossigeno a 2 elettroni (2e – ORR) in condizioni alcaline. Ulteriori esperimenti sulle cellule H hanno confermato l'accumulo di H2 O2 nell'elettrolito.
I ricercatori hanno accoppiato l'H2 generato in situ O2 con il processo elettro-Fenton utilizzando glicole etilenico come reagente e acidificato Na2 0,1 M SO4 come l'elettrolita. Ciò ha prodotto un tasso elevato di conversione del glicole etilenico e un'elevata selettività per l'acido formico, dimostrando che il processo elettro-Fenton ha il potenziale per migliorare le materie prime derivate dalla biomassa attraverso il miglioramento ossidativo.
Hanno inoltre sviluppato una cella a flusso trifase basata sull'elettrodo a diffusione di gas per migliorare ulteriormente l'H2 O2 rendimento.
Le analisi della teoria del funzionale della densità hanno indicato che i siti cataliticamente attivi effettivi nel 2e – Il processo ORR erano i cluster di Fe e l'interazione elettronica tra i singoli atomi di Fe e i cluster di Fe potrebbe migliorare significativamente le prestazioni elettrocatalitiche verso 2e – ORR.
Questo lavoro sarà utile per la progettazione e lo sviluppo di elettrocatalizzatori a livello atomico per 2e ad alta efficienza – ORR a H2 O2 e valorizzazione della biomassa.
Ulteriori informazioni: Hui Xu et al, Struttura elettronica di regolazione del ferro atomicamente disperso dei cluster di atomi di ferro per la produzione elettrocatalitica di H2O2 e l'aggiornamento della biomassa, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202314414
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
