Forskare vid University of Pittsburgh och Drexel University i Philadelphia, tillsammans med Brookhaven National Laboratory, arbetar på att lösa ett mysterium i flera delar för att göra vattendesinfektionsbehandlingar mer hållbara.
Skalbar teknik för elektrokemisk ozonproduktion (EOP) för att desinficera smutsigt vatten kan en dag ersätta centraliserade klorbehandlingar som används idag, oavsett om det är i moderna städer eller avlägsna byar. Det är dock lite förstått om EOP på molekylär nivå och hur teknologier som gör det möjligt kan göras effektiva, ekonomiska och hållbara.
Deras forskning, "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production", publicerades nyligen i tidskriften ACS Catalysis .
Huvudförfattare är Drexel Ph.D. student Rayan Alaufey, med bidragande forskare från Drexel, inklusive co-PI Maureen Tang, docent i kemi- och biologisk teknik, postdoktorand Andrew Lindsay, Ph.D. student Tana Siboonruang och Ezra Wood, docent i kemi; co-PI John A. Keith, docent i kemi- och petroleumteknik, och doktorand Lingyan Zhao från Pitt; och Qin Wu från Brookhaven.
"Folk har använt klor för att behandla dricksvatten sedan 1800-talet, men idag förstår vi bättre att klor kanske inte alltid är det bästa alternativet. EOP kan till exempel generera ozon, en molekyl med ungefär samma desinficerande kraft som klor, direkt i vatten .
"Till skillnad från klor som är stabilt kvar i vatten, sönderfaller ozon i vatten naturligt efter cirka 20 minuter, vilket innebär att det är mindre sannolikt att skada människor när de konsumerar från vatten i en kran, när man simmar i en pool eller när man rengör sår på ett sjukhus." förklarade Keith, som också är R.K. Mellon Faculty Fellow i energi vid Pitt's Swanson School of Engineering.
"EOP för hållbar desinfektion skulle vara mycket vettigt på vissa marknader, men att göra det kräver en tillräckligt bra katalysator, och eftersom ingen har hittat en tillräckligt bra EOP-katalysator ännu, är EOP för dyrt och energikrävande för bredare användning.
"Mina kollegor och jag tänkte att om vi på atomnivå kunde avkoda vad som får en medioker EOP-katalysator att fungera, kanske vi kunde konstruera en ännu bättre EOP-katalysator."
Att lösa mysteriet med hur EOP-katalysatorer fungerar är avgörande för att förstå hur man bättre kan konstruera en av de mest lovande och minst giftiga EOP-katalysatorerna som är kända hittills:nickel- och antimondopad tennoxid (Ni/Sb–SnO2 eller NATO).
Däri, sa Keith, ligger gåtan:vad gör varje atoms roll i Nato för att hjälpa EOP? Bildas ozon katalytiskt på det sätt vi vill att det ska göra, eller bildas det för att katalysatorn sönderfaller och framtida arbete måste göras för att göra Natos katalysatorer mer stabila?
Överraskande nog upptäckte forskarna att det förmodligen är en blandning av båda.
Genom att använda experimentella elektrokemiska analyser, masspektrometri och beräkningskvantkemimodellering skapade forskarna en "atomisk berättelse" för att förklara hur ozon genereras på NATO:s elektrokatalysatorer.
För första gången identifierade de att en del av nickeln i NATO förmodligen läcker ut ur elektroderna via korrosion, och dessa nickelatomer, som nu flyter i lösningen nära katalysatorn, kan främja kemiska reaktioner som så småningom genererar ozon.
"Om vi vill göra en bättre elektrokatalysator måste vi förstå vilka delar som fungerar och inte fungerar. Faktorer som metalljonläckage, korrosion och lösningsfasreaktioner kan ge intrycket att en katalysator fungerar på ett sätt när den faktiskt fungerar ett annat sätt."
Keith noterade att identifiering av förekomsten av korrosion och kemiska reaktioner som inträffar borta från katalysatorn är viktiga steg för att klargöra innan andra forskare kan fortsätta förbättringar av EOP och andra elektrokatalytiska processer.
I sin slutsats noterar de:"Att identifiera eller motbevisa existensen av sådana grundläggande tekniska begränsningar kommer att vara avgörande för alla framtida tillämpningar av EOP och andra avancerade elektrokemiska oxidationsprocesser."
"Vi vet att elektrokemisk vattenrening fungerar i liten skala, men upptäckten av bättre katalysatorer kommer att öka den till en global skala. Nästa steg är att hitta nya atomära kombinationer i material som är mer resistenta mot korrosion men som också främjar ekonomiskt och hållbart livskraftig EOP ", sa Keith.
Mer information: Rayan Alaufey et al, Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production, ACS Catalysis (2024). DOI:10.1021/acscatal.4c01317
Journalinformation: ACS-katalys
Tillhandahålls av University of Pittsburgh
