Australiska forskare under ledning av University of New South Wales har använt den australiensiska synkrotronen för att förstå hur den kemiska strukturen hos ett avancerat katalytiskt material bidrar till dess stabilitet och effektivitet. Tillvägagångssättet har potential att producera väteperoxid (H2O2) i en process som är kostnadseffektiv med mindre skada på miljön.

Väteperoxid är en viktig kemikalie som används flitigt i en rad applikationer, inklusive avloppsvattenrening, desinfektion, papper/massablekning, rengöring av halvledare, gruvdrift och metallbearbetning, bränsleceller och i kemisk syntes.

Enligt en internationell marknadsundersökningsgrupp, IMARC, den globala marknaden för väteperoxid värderades till 4,0 miljarder USD 2017 och ökar.

Nuvarande produktionsmetoder är beroende av stora kemiska fabriker, där väte, atmosfäriskt syre och ett antrakinonderivat används i en reaktionscykel, det är dyrt, kräver hög energiförbrukning och är inte miljövänlig.

Ett alternativt tillvägagångssätt är baserat på elektrokemisk reduktion av syre (syrereduktionsreaktion) i syror, som kan göras under omgivande förhållanden utan farliga biprodukter.

Dock, toppmoderna katalysatorer för produktion av väteperoxid i syror har begränsats till ädelmetaller, platina och palladium.

Andra försök att använda övergångsmetallerna, järn, nickel och kobolt, resulterade i en instabil struktur och dålig prestanda.

I denna studie publicerad i Naturkommunikation , utredarna rekonstruerade ytan av ett material genom att dopa kolnanorör med kobolt och kväve för att bilda enatomskatalysatorer på substratet i ett försök att stabilisera de kvävekoordinerade metallcentra.

Experiment med mjuka röntgenstrålar vid Australian Synchrotron hjälpte till att klargöra och bekräfta hur strukturen underlättade de elektrokemiska reaktioner som behövdes för att producera väteperoxid.

"Vi använde en teknik som kallas NEXAFS, närkantsröntgenabsorptions-finstrukturspektroskopi, att titta på koordinationen eller oxidationstillståndet för olika element av intresse - kobolt, kol och syre, sade doktor Lars Thomsen, Senior instrumentforskare och medförfattare.

Bindningen av epoxigrupper (där enkelbindningar förenar en syreatom till två intilliggande atomer) snarare än hydroxylgrupper till de kvävekoordinerade kobolt-nickel-centra på ett kolsubstrat bidrog till materialets stabilitet och dess katalytiska effektivitet.

Forskarna rapporterade att strukturen resulterar i en nära idealisk bindningsenergi som gör att syrereduktionsreaktionen kan fortgå via en nästan komplett tvåelektronöverföringsväg.

Viktigt, proverna som studerades uppvisade också rekordstor produktion av väteperoxid, och överträffade nästan alla de tidigare rapporterade katalysatormaterialen.

"En av de viktigaste övervägandena är förmågan att leverera en god avkastning såväl som miljöfördelar, för att se en uppgång i industrin, sa Thomsen, som arbetade med syntesen av grönt stålproduktionsmetod som Ph.D. kandidat.

Förutom att förklara den förstärkande effekten av epoxigrupperna på produktionen av väteperoxid, forskningen ger insikter för att stabilisera prestandan hos enatomskatalysatorer i sura bränsleceller.

Andra röntgenexperiment utfördes vid Advanced Photon Source i USA.

Forskningen leddes av Ph.D. kandidat Qingran Zhang från partikel- och katalysforskningslaboratoriet som leds av professor Rose Amal vid UNSW. Andra samarbetspartners var Australian National University och CSIRO.