Ценен химикал при поискване в момента на употреба
Производството на водороден прекис може да бъде много по-безопасно и по-лесно чрез процес, разработен в университета Райс.
Реакторът, разработен от Haotian Wang и неговите колеги от Инженерното училище на Rice's Brown, изисква само въздух, вода и електричество, за да направи ценния химикал в желаната концентрация и висока чистота.
Техният процес на електросинтез, подробно описан в Science, използва катализатор на основата на окислени въглеродни наночастици и би могъл да даде възможност за производство на чисти разтвори на водороден пероксид, премахвайки необходимостта от транспортиране на концентрираното химично вещество, което е опасно.
Използвайки твърд електролит вместо традиционния течен електролит, той също така елиминира необходимостта от разделяне или пречистване на продукти, използвани в текущите процеси, така че няма да участват замърсяващи йони.
„Ако имаме електричество от слънчев панел, можем буквално да получим водороден прекис само от слънчева светлина, въздух и вода“, каза Уанг. "Не е необходимо да включваме органични вещества или консумация на изкопаеми горива. Синтезът на водороден пероксид от традиционни огромни химически инженерни заводи генерира органични отпадъци, консумира изкопаеми горива и отделя въглероден диоксид. Това, което правим, е зеленият синтез."
Водородният пероксид се използва широко като антисептик, детергент, в козметиката, като избелващо средство и за пречистване на вода, наред с много други приложения. Съединението се произвежда в промишлени концентрации до 60% разтвор с вода, но при много обичайни приложения разтворът е далеч по-разреден.
"Индустриалният водороден прекис трябва да се транспортира във високи концентрации, за да се постигне максимална икономичност", каза Уанг.
„Транспортирането е опасно и скъпо, тъй като концентрираното съединение е нестабилно. Водородният прекис също се разгражда с течение на времето и трябва да се съхранява, щом стигне до местоназначението си.
"Нашата технология делокализира производството на водороден прекис", каза той. „Тъй като енергията от възобновяеми източници поевтинява, въздухът е безплатен и водата също е евтина, нашият продукт трябва да бъде конкурентен по отношение на цената.
"Вместо да съхраняват контейнери с водороден прекис, болниците, които го използват като дезинфектант, биха могли в бъдеще да включат кран и да получат например 3% разтвор при поискване", каза Уанг. "Вместо да съхраняват химикали за дезинфекция на водата в басейна, собствениците на жилища могат да натиснат превключвател и да включат реактора, за да почистят своите басейни."
Реакторът на ориз е донякъде подобен на горивна клетка, с електроди от двете страни за обработка на водород (или вода) и кислород (от въздух), подавайки ги към катализатори на два електрода, поставящи йонно проводим порест твърд електролит.
„Горивната клетка свежда до минимум производството на водороден прекис, за да се получи само вода с максимална енергийна ефективност“, каза изследователят и водещият автор на Райс Чуан Ся. "В нашия случай вместо това искаме да увеличим максимално водородния прекис и сме настроили катализатора си да го направи."
Евтиният катализатор на сажди, вграден в твърд електролит и окислен, за да подобри неговата реактивност, премества пътя на намаляване на кислорода към желания химикал при скорости и концентрации, определени от приложеното напрежение, въздух и вода суровина и стабилно подаване на дейонизирана вода . Реакцията протича при околна температура и налягане.
Съавторът на автор Янг Ся, студент втора година в лабораторията на Уанг, каза, че катализаторът се е оказал достатъчно здрав, за да синтезира чист разтвор на 1% от теглото водороден прекис за 100 непрекъснати часа в лабораторията с незначително разграждане.
Уанг каза, че лабораторията планира да проектира както по-големи реактори, така и компоненти "включи и пусни", за да тества с промишлени партньори. Той вижда големи обещания за приложения в промишлен мащаб като общински системи за пречистване на водата. Лабораторията за ориз е тествала ниски концентрации на своя продукт върху дъждовната вода в кампуса и е доказала способността си да премахва замърсителите от органичен въглерод.
"Има толкова много потенциални приложения", каза той. "Преди това електрохимичният синтез на водороден пероксид беше ограничен от процеса на разделяне или пречистване на продукта, но ние решихме голямата бариера пред практическите приложения."
Аспирантът по ориз Пън Жу и академичният посетител Лей Фан са съавтори на статията. Уанг е председател на Уилям Марш Райс, асистент по химическо и биомолекулярно инженерство и глобален стипендиант CIFAR Azrieli за 2019 г.
Университетът Райс и докторската стипендия на J. Evans Attwell-Welch, предоставени от Института Smalley-Curl, подкрепиха изследването.