Rice University forskare har skapat en "defekt" katalysator som förenklar genereringen av väteperoxid från syre.

Risforskare behandlade metallfritt kimrök, det billiga, pulveriserad produkt från petroleumproduktion, med syreplasma. Processen introducerar defekter och syrehaltiga grupper i strukturen av kolpartiklarna, exponerar mer yta för interaktioner.

När den används som katalysator, de defekta partiklarna som kallas CB-Plasma reducerar syre till väteperoxid med 100 % Faradaic effektivitet, ett mått på laddningsöverföring i elektrokemiska reaktioner. Processen lovar att ersätta den komplexa antrakinonbaserade produktionsmetoden som kräver dyra katalysatorer och genererar giftiga organiska biprodukter och stora mängder avloppsvatten, enligt forskarna.

Forskningen av Rice kemisten James Tour och materialteoretikern Boris Yakobson visas i tidskriften American Chemical Society ACS-katalys .

Väteperoxid används ofta som desinfektionsmedel, såväl som vid rening av avloppsvatten, inom pappers- och massaindustrin och för kemisk oxidation. Tour förväntar sig att den nya processen kommer att påverka utformningen av väteperoxidkatalysatorer framöver.

"Den elektrokemiska processen som beskrivs här behöver inga metallkatalysatorer, och detta kommer att sänka kostnaderna och göra hela processen mycket enklare, Tour sa. "Rätt konstruktion av kolstrukturen skulle kunna ge lämpliga aktiva platser som reducerar syremolekyler samtidigt som O-O-bindningen bibehålls, så att väteperoxid är den enda produkten. Förutom det, den metallfria designen hjälper till att förhindra nedbrytning av väteperoxid."

Plasmabearbetning skapar defekter i kimrökspartiklar som visas som fem- eller sjuledade ringar i materialets atomgitter. Processen tar ibland bort tillräckligt med atomer för att skapa vakanser i gittret.

Katalysatorn fungerar genom att dra två elektroner från syre, låter den kombineras med två väteelektroner för att skapa väteperoxid. (Reducera syre med fyra elektroner, en process som används i bränsleceller, producerar vatten som en biprodukt.)

"Selektiviteten mot peroxid snarare än vatten härrör inte från kimrök i sig utan, som (medförfattare och Rice doktorand) Qin-Kun Lis beräkningar visar, från de specifika defekter som skapas av plasmabearbetning, "Sade Yakobson. "Dessa katalytiska defektställen gynnar bindningen av viktiga intermediärer för peroxidbildning, sänka reaktionsbarriären och påskynda det önskvärda resultatet."

Tours labb behandlade också kimrök med ultraviolett-ozon och behandlade CB-Plasma efter syrereduktion med argon för att ta bort de flesta av de syrehaltiga grupperna. CB-UV var inte bättre på katalys än vanlig kimrök, men CB-Argon presterade lika bra som CB-Plasma med ett ännu bredare spektrum av elektrokemisk potential, labbet rapporterade.

Eftersom exponeringen av CB-Plasma för argon under hög temperatur tog bort de flesta av syregrupperna, labbet drog slutsatsen att koldefekterna själva var ansvariga för den katalytiska reduktionen till väteperoxid.

Enkelheten i processen skulle kunna möjliggöra mer lokal generering av den värdefulla kemikalien, minska behovet av att transportera det från centraliserade anläggningar. Tour noterade CB-Plasma matchar effektiviteten hos toppmoderna material som nu används för att generera väteperoxid.

"Att skala den här processen är mycket lättare än nuvarande metoder, och det är så enkelt att även små enheter kan användas för att generera väteperoxid vid behov, " sa Tour.

Processen är den andra som Rice introducerat under de senaste månaderna för att göra tillverkningen av väteperoxid mer effektiv. Riskemi och biomolekylär ingenjör Haotian Wang och hans labb utvecklade en oxiderad kol-nanopartikelbaserad katalysator som producerar kemikalien från solljus, luft och vatten.