Accesul limitat la apă curată este o problemă majoră pentru miliarde de oameni din lumea în curs de dezvoltare, unde sursele de apă sunt adesea contaminate cu deșeuri urbane, industriale și agricole. Multe organisme care cauzează boli și poluanți organici pot fi îndepărtați rapid din apă folosind peroxid de hidrogen fără a lăsa substanțe chimice reziduale dăunătoare. Cu toate acestea, producerea și distribuirea peroxidului de hidrogen este o provocare în multe părți ale lumii.

hidrogen

Acum oamenii de știință de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC al Departamentului Energiei și Universitatea Stanford au creat un dispozitiv mic pentru producerea de peroxid de hidrogen care ar putea fi alimentat de surse de energie regenerabile, cum ar fi panourile solare convenționale.

„Ideea este de a dezvolta o celulă electrochimică care generează peroxid de hidrogen din oxigen și apă la fața locului și apoi să folosești acel peroxid de hidrogen în apele subterane pentru a oxida contaminanții organici care sunt dăunători oamenilor pentru ingerare”, a declarat Chris Hahn, om de știință asociat al SLAC .

Rezultatele lor au fost raportate la 1 martie în Reaction Chimie și Inginerie.

Proiectul a fost o colaborare între trei grupuri de cercetare de la Centrul SUNCAT pentru Știința Interfeței și Cataliză, care este condus în comun de SLAC și Universitatea Stanford.

"Majoritatea proiectelor de la SUNCAT urmează o cale similară", a spus Zhihua (Bill) Chen, student absolvent în grupul lui Tom Jaramillo, profesor asociat la SLAC și Stanford. „Ei pleacă de la predicții bazate pe teorie, trec la dezvoltarea catalizatorului și în cele din urmă produc un dispozitiv prototip cu o aplicație practică.”

În acest caz, cercetătorii din grupul teoretic condus de profesorul SLAC/Stanford Jens Nørskov au folosit modelarea computerizată, la scară atomică, pentru a investiga catalizatorii pe bază de carbon capabili să scadă costurile și să crească eficiența producției de peroxid de hidrogen. Studiul lor a dezvăluit că majoritatea defectelor acestor materiale sunt selective în mod natural pentru generarea de peroxid de hidrogen, iar unele sunt, de asemenea, extrem de active. Întrucât defectele se pot forma în mod natural în materialele pe bază de carbon în timpul procesului de creștere, constatarea cheie a fost realizarea unui material cu cât mai multe defecte posibil.

„Catalizatorul meu anterior pentru această reacție a folosit platina, care este prea scumpă pentru purificarea descentralizată a apei”, a declarat inginerul de cercetare Samira Siahrostami. „Lucrul frumos al materialului nostru mai ieftin pe bază de carbon este că are un număr imens de defecte care sunt situri active pentru catalizarea producției de peroxid de hidrogen.”

Shucheng Chen, student la Stanford, care lucrează cu profesorul Stanford Zhenan Bao, a pregătit apoi catalizatorii de carbon și le-a măsurat proprietățile. Cu ajutorul oamenilor de știință ai personalului SSRL, Dennis Nordlund și Dimosthenis Sokaras, acești catalizatori au fost, de asemenea, caracterizați folosind raze X la SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), un birou al DOE al Facilității pentru Utilizarea Științei.

"Am depins de experimentele noastre de la SSRL pentru a înțelege mai bine structura materialului nostru și a verifica dacă acesta are tipurile corecte de defecte", a spus Shucheng Chen.

În cele din urmă, i-a transmis catalizatorul pe lângă colegul său de cameră Bill Chen, care a proiectat, construit și testat dispozitivul lor.

„Dispozitivul nostru are trei compartimente”, a explicat Bill Chen. "În prima cameră, oxigenul gazului curge prin cameră, se interacționează cu catalizatorul produs de Shucheng și este redus în peroxid de hidrogen. Peroxidul de hidrogen intră apoi în camera din mijloc, unde este stocat într-o soluție." Într-o a treia cameră, un alt catalizator transformă apa în oxigen gazos, iar ciclul începe din nou.

Separarea celor doi catalizatori cu o cameră de mijloc face ca dispozitivul să fie mai ieftin, mai simplu și mai robust decât separarea lor cu o membrană semi-permeabilă standard, care poate fi atacată și degradată de peroxidul de hidrogen.

Dispozitivul poate funcționa și pe surse de energie regenerabile disponibile în sate. Celula electrochimică este în esență un circuit electric care funcționează cu o mică tensiune aplicată peste ea. Reacția din camera 1 pune electronii în oxigen pentru a produce peroxid de hidrogen, care este echilibrat de o contrareacțiune din camera a treia care ia electronii din apă pentru a produce oxigen - potrivind curentul și completând circuitul. Deoarece dispozitivul necesită doar aproximativ 1,7 volți aplicat între catalizatori, acesta poate funcționa pe o baterie sau două panouri solare standard.

Grupurile de cercetare lucrează acum la un dispozitiv de capacitate mai mare.

În prezent, camera mijlocie conține doar aproximativ 10 microlitri de peroxid de hidrogen; vor să o facă mai mare. De asemenea, încearcă să circule continuu lichidul în camera din mijloc pentru a pompa rapid peroxidul de hidrogen, astfel încât dimensiunea camerei de stocare nu mai limitează producția.

De asemenea, ar dori să producă peroxid de hidrogen în concentrații mai mari. Cu toate acestea, sunt necesare doar câteva miligrame pentru a trata un litru de apă, iar prototipul actual produce deja o concentrație suficientă, care reprezintă o zecime din concentrația de peroxid de hidrogen pe care o cumpărați la magazin pentru nevoile dvs. medicale de bază.

Pe termen lung, echipa vrea să schimbe mediul alcalin din interiorul celulei într-unul neutru care seamănă mai mult cu apa. Acest lucru ar facilita utilizarea oamenilor, deoarece peroxidul de hidrogen ar putea fi amestecat direct cu apa potabilă fără a fi nevoie să o neutralizeze mai întâi.

Membrii echipei sunt încântați de rezultatele lor și simt că sunt pe drumul cel bun spre dezvoltarea unui dispozitiv practic.

"În prezent este doar un prototip, dar personal cred că va străluci în zona purificării descentralizate a apei pentru lumea în curs de dezvoltare", a spus Bill Chen. "Este ca o cutie magică. Sper că poate deveni o realitate".

Mai multe informatii: Zhihua Chen și colab. Dezvoltarea unui reactor cu catalizatori de carbon pentru producerea electrochimică de HO la scară modulară, cu costuri reduse, Reacţiona. Chem. Eng. (2017). DOI: 10.1039/C6RE00195E