Согласно недавнему исследованию, опубликованному в Журнале Американского химического общества, команда под руководством Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн продемонстрировала более эффективный и экологически чистый метод производства H2O2.
«Хотя два ингредиента – водород и кислород – либо недороги, либо доступны бесплатно из атмосферы, перекись водорода очень реактивна и нестабильна, что затрудняет ее производство», – сказал первый автор Томас Риккардулли, аспирант химического факультета. и биомолекулярная инженерия в UIUC.
В настоящее время производство H2O2 требует сложного многоступенчатого процесса и больших мощностей.
Более того, этот традиционный метод основан на использовании промежуточного химического вещества (антрахинона), полученного из ископаемого топлива.
Десятилетия назад исследователи предложили более простой, дешевый и «зеленый» одностадийный альтернативный метод, в котором катализатор (наночастицы палладия и золота) запускает реакцию.
Бонус: катализатор можно повторно использовать для получения перекиси водорода снова и снова.
«Однако водород и кислород также образуют воду, и было известно, что этот предложенный метод« прямого синтеза »позволяет синтезировать 80% воды и всего 20% перекиси водорода», – сказал ведущий автор Дэвид Флаэрти, профессор химической и биомолекулярной инженерии в UIUC. «Ученые яростно обсуждали расположение атомов палладия и золота, необходимых в наночастицах для повышения селективности по перекиси водорода, и почему это работает."
Более высокое соотношение золота и палладия в катализаторе дает больше H2O2 и меньше воды.
Исследователи обнаружили, что катализатор с соотношением один палладий к 220 атомам золота генерирует почти 100-процентный перекись водорода, что примерно на грани уменьшения отдачи.
Примечательно, что катализаторы обеспечивают стабильную работу в течение многих дней использования, постоянно достигают этой замечательной селективности по H2O2 и делают это с использованием чистой воды в качестве растворителя, что позволяет избежать проблемных и коррозионных добавок, часто используемых для этой химии.
Организация этих атомов внутри катализатора также имеет значение: атомы палладия, соприкасающиеся друг с другом, способствуют образованию воды, а атомы палладия, окруженные золотом, способствуют образованию H2O2.
Более того, они обнаружили, что влияние распространяется от первого кольца соседних атомов, которые окружают атом палладия, до второго слоя атомов, называемого следующими ближайшими соседями. Больше H2O2 синтезируется, когда как соседи данного атома палладия, так и следующие ближайшие соседи – все золото.
«Мы продемонстрировали, как создать очень эффективный и селективный катализатор», – сказал Флаэрти, который также является стипендиатом факультета химической компании Dow. "Хотя это многообещающе, все еще есть препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы внедрить этот метод в коммерческих целях."
Исследовательская группа Флаэрти занимается разработкой катализаторов из наночастиц с новыми композициями и реакторами, которые позволят использовать гибридные химико-электрохимические методы для этой реакции. «Наша конечная цель – разработать реальную технологию для распределенного производства H2O2, которая откроет двери для многих устойчивых альтернатив традиционным химическим процессам."
Исследователи также ожидают, что их деятельность откроет другие ключевые научные концепции для электрификации химического производства.
Национальный научный фонд и Институт энергетики и биологических наук поддержали это исследование, которое частично проводилось в Лаборатории исследования материалов в Иллинойсе и в Центре синхротронного излучения в Стэнфордском университете.
Соавторами также были Куган Томпсон и Айман М. Карим (Политехнический институт и университет штата Вирджиния), Сахити Горти и Мэтью Нейрок (Университет Миннесоты) и Джейсон С. Адамс (UIUC).