Ett team av forskare har utvecklat en bärbar, mer miljövänlig metod för att producera väteperoxid. Det skulle kunna göra det möjligt för sjukhus att göra sin egen leverans av desinfektionsmedlet på begäran och till lägre kostnad.

Arbetet, ett samarbete mellan University of California San Diego, Columbia University, Brookhaven National Laboratory, University of Calgary, och University of California, Irvine, beskrivs i en tidning publicerad i Naturkommunikation .

Väteperoxid har nyligen skapat rubriker när forskare och medicinska centra runt om i landet har testat dess lönsamhet för att dekontaminera N95-masker för att hantera brister mitt i COVID-19-pandemin.

Även om resultaten hittills är lovande, vissa forskare oroar sig för att kemikaliens dåliga hållbarhetstid skulle kunna göra sådana saneringsinsatser kostsamma.

Huvudproblemet är att väteperoxid inte är stabil; den börjar bryta ner till vatten och syre redan innan flaskan har öppnats. Det bryts ner ännu snabbare när det väl utsätts för luft eller ljus.

"Du kanske bara har ett par månader på dig att använda den innan den går ut, så du skulle behöva beställa partier oftare för att ha en färsk tillgång, " sa UC San Diego nanoteknikprofessor Zheng Chen. "Och eftersom det sönderfaller så snabbt, frakt och förvaring blir mycket dyrt."

Chen och kollegor utvecklade en snabb, enkel och billig metod för att generera väteperoxid hemma med bara en liten kolv, luft, en vanlig elektrolyt, en katalysator och elektricitet.

"Vårt mål är att skapa en bärbar installation som enkelt kan kopplas in så att sjukhus, och även hushåll, har ett sätt att generera väteperoxid på begäran, " sa Chen. "Du behöver inte skicka den, du behöver inte förvara den, och ingen brådska att använda allt innan det går ut. Detta kan spara upp till 50 till 70 % i kostnader."

En annan fördel är att metoden är mindre giftig än industriella processer.

Metoden bygger på en kemisk reaktion där en molekyl syre kombineras med två elektroner och två protoner i en sur elektrolytlösning för att producera väteperoxid. Denna typ av reaktion är känd som två-elektron syrereduktionsreaktion, och den är användarvänlig eftersom den kan producera utspädd väteperoxid med önskad koncentration vid behov. "I nästa steg, vi kommer att utveckla elektrokatalysatorer som är lämpliga för andra elektrolytlösningar för att ytterligare utöka utbudet av dess applikationer, " sa UC San Diego kemiteknik doktorand Qiaowan Chang.

Nyckeln till att få denna reaktion att hända är en speciell katalysator som teamet utvecklat. Den består av kolnanorör som delvis har oxiderats, vilket betyder att syreatomer har fästs på ytan. Syreatomerna är bundna till små kluster av tre till fyra palladiumatomer. Dessa bindningar mellan palladiumklustren och syreatomerna är det som gör att reaktionen kan ske med hög selektivitet och aktivitet på grund av dess optimala bindningsenergi för nyckelmellanprodukten under reaktionen.

Columbia University kemiteknikprofessor Jingguang Chen sa, "Samordningen mellan syremodifierat Pd-kluster och de syrehaltiga funktionella grupperna på kolnanorör är nyckeln till att förbättra dess katalytiska prestanda."

Teamet utvecklade ursprungligen denna metod för att göra batteriåtervinningsprocesser grönare. Väteperoxid är en av de kemikalier som används för att extrahera och återvinna metaller som koppar, nickel, kobolt och magnesium från använda litiumjonbatterier. Liknande, det gör också aktiveringen av kolvätemolekyler mer effektiv, vilket är ett kritiskt steg i många industriella kemiska processer.

"Vi hade arbetat med det här projektet i ungefär ett och ett halvt år. När vi avslutade saker, COVID-19-pandemin drabbades, ", sa Chen. Att se nyhetsrapporter om användningen av väteperoxidånga för att desinficera N95-masker för återanvändning motiverade teamet att vrida riktningar.

"Vi såg att det fanns ett mer pressande behov av insatser för att hjälpa vårdpersonal som kanske inte har tillräckligt skydd när de tar hand om patienter som lider av det nya coronaviruset, " han sa.

Arbetet är på proof-of-concept-stadiet. Går vidare, teamet kommer att arbeta med att optimera och skala upp metoden för potentiell användning på sjukhus. Framtida studier inkluderar att modifiera metoden så att den kan göras med en neutral elektrolyt (i princip en saltlösning) istället för en sur, som skulle vara bättre för hushålls- och kliniska tillämpningar, sa Chen. En del av detta fortsatta arbete stöds för närvarande av UC San Diegos Sustainable Power and Energy Center.