Begränsad tillgång till rent vatten är en stor fråga för miljarder människor i utvecklingsvärlden, där vattenkällor ofta är förorenade med urbana, industri- och jordbruksavfall. Många sjukdomsframkallande organismer och organiska föroreningar kan snabbt avlägsnas från vatten med väteperoxid utan att lämna några skadliga kemikalierester. Dock, att producera och distribuera väteperoxid är en utmaning i många delar av världen.

Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University skapat en liten enhet för produktion av väteperoxid som kan drivas av förnybara energikällor, som konventionella solpaneler.

"Tanken är att utveckla en elektrokemisk cell som genererar väteperoxid från syre och vatten på plats, och sedan använda den väteperoxiden i grundvattnet för att oxidera organiska föroreningar som är skadliga för människor att inta, sa Chris Hahn, en SLAC associerad stabsforskare.

Deras resultat rapporterades 1 mars Reaktionskemi och teknik .

Projektet var ett samarbete mellan tre forskargrupper vid SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, som drivs gemensamt av SLAC och Stanford University.

"De flesta av projekten här på SUNCAT följer en liknande väg, " sa Zhihua (Bill) Chen, en doktorand i gruppen av Tom Jaramillo, en docent vid SLAC och Stanford. "De utgår från förutsägelser baserade på teori, gå över till katalysatorutveckling och så småningom producera en prototypenhet med en praktisk tillämpning."

I detta fall, forskare i teorigruppen ledd av SLAC/Stanford professor Jens Nørskov använde beräkningsmodellering, på atomär skala, att undersöka kolbaserade katalysatorer som kan sänka kostnaderna och öka effektiviteten i produktionen av väteperoxid. Deras studie visade att de flesta defekter i dessa material är naturligt selektiva för att generera väteperoxid, och några är också mycket aktiva. Eftersom defekter naturligt kan bildas i de kolbaserade materialen under tillväxtprocessen, nyckelfynden var att göra ett material med så många defekter som möjligt.

"Min tidigare katalysator för denna reaktion använde platina, som är för dyrt för decentraliserad vattenrening, " sa forskningsingenjören Samira Siahrostami. "Det vackra med vårt billigare kolbaserade material är att det har ett stort antal defekter som är aktiva platser för att katalysera produktionen av väteperoxid."

Stanford doktorand Shucheng Chen, som arbetar med Stanford Professor Zhenan Bao, framställde sedan kolkatalysatorerna och mätte deras egenskaper. Med hjälp av SSRL-personalforskarna Dennis Nordlund och Dimosthenis Sokaras, dessa katalysatorer karakteriserades också med röntgenstrålar vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science User Facility.

"Vi var beroende av våra experiment på SSRL för att bättre förstå vårt materials struktur och kontrollera att det hade rätt typ av defekter, " sa Shucheng Chen.

Till sist, han skickade katalysatorn vidare till sin rumskamrat Bill Chen, vem designade, byggde och testade sin enhet.

"Vår enhet har tre fack, Bill Chen förklarade. "I första kammaren, syrgas strömmar genom kammaren, gränssnitt med katalysatorn tillverkad av Shucheng och reduceras till väteperoxid. Väteperoxiden kommer sedan in i mittenkammaren, där det förvaras i en lösning." I en tredje kammare, en annan katalysator omvandlar vatten till syrgas, och cykeln börjar om.

Att separera de två katalysatorerna med en mittkammare gör enheten billigare, enklare och mer robust än att separera dem med ett standard semipermeabelt membran, som kan angripas och brytas ned av väteperoxiden.

Enheten kan också köras på förnybara energikällor som finns i byar. Den elektrokemiska cellen är i huvudsak en elektrisk krets som arbetar med en liten spänning som appliceras över den. Reaktionen i kammare ett sätter elektroner i syre för att göra väteperoxid, som balanseras av en motreaktion i kammare tre som tar elektroner från vatten för att göra syre – matchar strömmen och fullbordar kretsen. Eftersom enheten endast kräver cirka 1,7 volt mellan katalysatorerna, den kan köras på ett batteri eller två vanliga solpaneler.

Forskargrupperna arbetar nu med en enhet med högre kapacitet.

För närvarande rymmer den mellersta kammaren endast cirka 10 mikroliter väteperoxid; de vill göra det större. De försöker också kontinuerligt cirkulera vätskan i mellankammaren för att snabbt pumpa ut väteperoxid, så storleken på lagringskammaren begränsar inte längre produktionen.

De skulle också vilja göra väteperoxid i högre koncentrationer. Dock, bara några milligram behövs för att behandla en liter vatten, och den nuvarande prototypen producerar redan en tillräcklig koncentration, vilket är en tiondel av koncentrationen av väteperoxiden som du köper i butiken för dina grundläggande medicinska behov.

I längden, teamet vill ändra den alkaliska miljön inuti cellen till en neutral miljö som är mer som vatten. Detta skulle göra det lättare för människor att använda, eftersom väteperoxiden kunde blandas med dricksvatten direkt utan att behöva neutralisera den först.

Teammedlemmarna är exalterade över sina resultat och känner att de är på rätt väg mot att utveckla en praktisk enhet.

"För närvarande är det bara en prototyp, men jag tror personligen att det kommer att lysa inom området för decentraliserad vattenrening för utvecklingsländerna, " sa Bill Chen. "Det är som en magisk låda. Jag hoppas att det kan bli verklighet."