En reaktor utvecklad av kemister vid Rice University producerar väteperoxid från luft, vatten och el. Den miljövänliga metoden lovar att leverera anpassade lösningar av kemikalien vid efterfrågan. Upphovsman:Brandon Martin/Rice University
Produktionen av väteperoxid kan bli mycket säkrare och enklare genom en process som utvecklats vid Rice University.
En reaktor som utvecklats av Haotian Wang och hans kollegor vid Rice's Brown School of Engineering kräver endast luft, vatten och elektricitet för att göra den värdefulla kemikalien i önskad koncentration och hög renhet.
Deras elektrosyntesprocess, detaljerad i Vetenskap , använder en oxiderad katalysator baserad på nanopartiklar i kol och kan möjliggöra produktion av rena väteperoxidlösningar, eliminera behovet av att transportera den koncentrerade kemikalien, vilket är farligt.
Genom att använda en fast elektrolyt istället för traditionell flytande elektrolyt, det eliminerar också behovet av produktseparation eller rening som används i nuvarande processer, så inga kontaminerande joner kommer att vara inblandade.
"Om vi har el från en solpanel, vi kan bokstavligen få väteperoxid från bara solljus, luft och vatten, "sa Wang." Vi behöver inte involvera organiska eller fossila bränsleförbrukningar. Väteperoxidsyntes genom traditionell, enorma kemitekniska anläggningar genererar organiskt avfall, förbrukar fossila bränslen och släpper ut koldioxid. Det vi gör är grön syntes. "
Rice University doktorand Yang Xia visar produktionen av en ny reaktor som bara använder luft, vatten och elektricitet för att producera väteperoxid vid behov. Upphovsman:Brandon Martin/Rice University
Väteperoxid används ofta som ett antiseptiskt medel, ett tvättmedel, inom kosmetika, som blekmedel och vid vattenrening, bland många andra applikationer. Föreningen produceras i industriella koncentrationer av upp till 60% lösning med vatten, men i många vanliga användningsområden, lösningen är mycket mer utspädd.
"Industriell väteperoxid måste transporteras i höga koncentrationer för att maximera ekonomin, "Sa Wang.
"Transport är farlig och kostsam eftersom den koncentrerade föreningen är instabil. Väteperoxid försämras också med tiden, och måste lagras när den når sin destination.
"Vår teknik avlägsnar produktionen av väteperoxid, "sa han." När förnybar elinsats blir billigare, luft är gratis och vatten är också billigt, vår produkt ska vara konkurrenskraftig när det gäller pris.
"Istället för att förvara behållare med väteperoxid, sjukhus som använder det som ett desinfektionsmedel kan i framtiden slå på en tapp och få, till exempel, en 3% lösning på begäran, "Sade Wang." I stället för att lagra kemikalier för att desinficera poolvatten, husägare kan trycka på en strömbrytare och slå på reaktorn för att rengöra sina pooler. "
Från vänster, Rice University forskare Yang Xia, Chuan Xia och Haotian Wang visar hur väteperoxid som nyligen produceras av deras reaktor renar en förorening i vatten. Reaktorn använder bara luft, vatten och elektricitet för att producera den värdefulla kemikalien. Upphovsman:Brandon Martin/Rice University
Risreaktorn liknar en bränslecell, med elektroder på vardera sidan för att bearbeta väte (eller vatten) och syre (från luft), mata dem till katalysatorer på två elektroder som smälter in en joniskt ledande porös fast elektrolyt.
"En bränslecell minimerar produktionen av väteperoxid för att bara producera vatten med maximerad energieffektivitet, "sa Rice postdoktoralforskare och huvudförfattare Chuan Xia." I vårt fall, vi vill maximera väteperoxid istället, och har ställt in vår katalysator för att göra det. "
Den billiga kolsvartkatalysatorn, sätts i en fast elektrolyt och oxideras för att öka dess reaktivitet, förskjuter syrereduktionsvägen mot önskad kemikalie vid hastigheter och koncentrationer som bestäms av den applicerade spänningen, luft- och vattenmaterial och en stadig tillförsel av avjoniserat vatten. Reaktionen sker under omgivningstemperaturer och tryck.
Medförfattare Yang Xia, en andraårs doktorand i Wang-labbet, sade katalysatorn visade sig vara tillräckligt robust för att syntetisera ren lösning av 1 viktprocent väteperoxid under 100 kontinuerliga timmar i labbet med försumbar nedbrytning.
Wang sa att labbet planerar att konstruera både större reaktorer och plug-and-play-komponenter med sikte på att testa med industriella partners. Han ser stora löften för tillämpningar i industriell skala som kommunala vattenreningssystem. Rislabbet har testat låga halter av sin produkt på campusvatten och bevisat sin förmåga att ta bort organiska kolföroreningar.
"Det finns så många potentiella applikationer, "sa han." Innan detta, elektrokemisk syntes av väteperoxid begränsades av produktseparations- eller reningsprocessen, men vi har löst det stora hindret för praktiska tillämpningar. "
Ris doktorand Peng Zhu och akademiska besökaren Lei Fan är medförfattare till tidningen. Wang är William Marsh Rice Trustee Chair, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik och en CIFAR Azrieli Global Scholar 2019.
Rice University och J. Evans Attwell-Welch Postdoctoral Fellowship från Smalley-Curl Institute stödde forskningen.
