Väteperoxid (H ₂ O ₂ ) används för att desinficera mindre skärsår i hemmet och för oxidativa reaktioner inom industriell tillverkning. Nu, pandemin har ytterligare underblåst efterfrågan på denna kemikalie och dess antiseptiska egenskaper. Även om det är överkomligt i mataffären, H ₂ O ₂ är faktiskt svårt och dyrt att tillverka i skala.

Ett team ledd av University of Illinois Urbana-Champaign har visat en mer effektiv och miljövänlig metod för att producera H ₂ O ₂ , enligt en ny studie publicerad i Journal of the American Chemical Society .

"Medan de två ingredienserna - väte och syre - är antingen billiga eller fritt tillgängliga från atmosfären, väteperoxid är mycket reaktiv och instabil, vilket gör det mycket svårt att producera, " sa första författaren Tomas Ricciardulli, en doktorand i kemi- och biomolekylär teknik vid UIUC.

För närvarande, producerar H ₂ O ₂ kräver en komplicerad, flerstegsprocess och stora anläggningar. Mer så, denna traditionella metod bygger på en mellanliggande kemikalie (antrakinon) som härrör från fossila bränslen.

Årtionden sedan, forskare föreslog en enklare, billigare, och "grönare" alternativ i ett steg där en katalysator (palladium-guld nanopartiklar) driver reaktionen istället. Bonus:katalysatorn kan återvinnas för att producera väteperoxid om och om igen.

"Dock, väte och syre bildar också vatten, och denna föreslagna "direktsyntes"-metod var känd för att syntetisera 80 procent vatten och bara 20 procent väteperoxid, " sa huvudförfattaren David Flaherty, professor i kemi- och biomolekylär teknik vid UIUC. "Forskare har häftigt diskuterat arrangemanget av palladium- och guldatomer som behövs i nanopartiklar för att öka selektiviteten för väteperoxid och varför detta fungerar."

Ett högre förhållande mellan guld och palladiumatomer i katalysatorn producerar mer H ₂ O ₂ och mindre vatten. Forskarna fann att en katalysator med ett förhållande av en palladium till 220 guldatomer genererar nästan 100 procent väteperoxid, vilket handlar om att minska avkastningen.

Betydligt nog, katalysatorerna ger stabil prestanda under många dagars användning, kontinuerligt uppnå dessa anmärkningsvärda selektiviteter för H ₂ O ₂ , och gör det med rent vatten som lösningsmedel, vilket undviker de problematiska och frätande tillsatser som ofta används för denna kemi.

Organisationen av dessa atomer i katalysatorn räknas också:palladiumatomer som berör varandra gynnar vattenbildning, medan palladiumatomer omgivna av guld gynnar H ₂ O ₂ bildning.

Vad mer, de upptäckte att inflytandet sträcker sig från den första ringen av närliggande atomer som omger palladiumatomen till det andra lagret av atomer, ringde närmaste grannar. Mer H ₂ O ₂ syntetiseras när både en given palladiumatoms grannar och närmaste grannar alla är guld.

"Vi visade hur man skapar en mycket effektiv och selektiv katalysator, sa Flaherty, som också är en Dow Chemical Company Faculty Scholar. "Medan de lovar, det finns fortfarande hinder att övervinna för att använda denna metod kommersiellt."

Forskargruppen Flaherty driver utvecklingen av nanopartikelkatalysatorer med nya sammansättningar och reaktorer för att möjliggöra hybrida kemisk-elektrokemiska metoder för denna reaktion. "Vårt slutmål är att utveckla genomförbar teknik för distribuerad produktion av H ₂ O ₂ som skulle öppna dörrar för många hållbara alternativ till traditionella kemiska processer."

Forskarna förväntar sig också att deras aktiviteter kommer att avslöja andra viktiga vetenskapliga koncept för att elektrifiera kemisk tillverkning längs vägen.