Ilustración esquemática de un sistema de purificación de agua in situ para comunidades rurales. Alimentado por paneles solares, el de bajo costo, El dispositivo portátil produce peróxido de hidrógeno a partir de oxígeno y agua. Crédito:Zhihua Chen / Universidad de Stanford
El acceso limitado al agua potable es un problema importante para miles de millones de personas en el mundo en desarrollo, donde las fuentes de agua a menudo están contaminadas con Residuos industriales y agrícolas. Muchos organismos que causan enfermedades y contaminantes orgánicos pueden eliminarse rápidamente del agua usando peróxido de hidrógeno sin dejar ningún químico residual dañino. Sin embargo, producir y distribuir peróxido de hidrógeno es un desafío en muchas partes del mundo.
Ahora, los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han creado un pequeño dispositivo para la producción de peróxido de hidrógeno que podría funcionar con fuentes de energía renovables. como los paneles solares convencionales.
"La idea es desarrollar una celda electroquímica que genere peróxido de hidrógeno a partir del oxígeno y el agua en el sitio, y luego usar ese peróxido de hidrógeno en el agua subterránea para oxidar los contaminantes orgánicos que son dañinos para que los humanos los ingieran, "dijo Chris Hahn, un científico asociado de SLAC.
Sus resultados se informaron el 1 de marzo en Química e Ingeniería de Reacción .
El proyecto fue una colaboración entre tres grupos de investigación en el Centro SUNCAT de Ciencia de Interfaces y Catálisis, que es administrado conjuntamente por SLAC y la Universidad de Stanford.
"La mayoría de los proyectos aquí en SUNCAT siguen un camino similar, "dijo Zhihua (Bill) Chen, un estudiante de posgrado en el grupo de Tom Jaramillo, profesor asociado en SLAC y Stanford. "Parten de predicciones basadas en la teoría, pasar al desarrollo de catalizadores y eventualmente producir un dispositivo prototipo con una aplicación práctica ".
Tamaño para caber en una mano, este portátil, Dispositivo de bajo costo que utiliza oxígeno y agua para producir peróxido de hidrógeno, que se puede utilizar para purificar el agua en comunidades rurales. Crédito:Zhihua Chen / Universidad de Stanford
En este caso, Los investigadores del grupo de teoría dirigido por el profesor Jens Nørskov de SLAC / Stanford utilizaron modelos computacionales, a escala atómica, investigar catalizadores basados en carbono capaces de reducir el costo y aumentar la eficiencia de la producción de peróxido de hidrógeno. Su estudio reveló que la mayoría de los defectos en estos materiales son naturalmente selectivos para generar peróxido de hidrógeno, y algunos también son muy activos. Dado que los defectos pueden formarse naturalmente en los materiales a base de carbono durante el proceso de crecimiento, el hallazgo clave fue hacer un material con tantos defectos como fuera posible.
"Mi catalizador anterior para esta reacción usaba platino, que es demasiado caro para la purificación de agua descentralizada, ", dijo la ingeniera de investigación Samira Siahrostami." Lo hermoso de nuestro material más barato a base de carbono es que tiene una gran cantidad de defectos que son sitios activos para catalizar la producción de peróxido de hidrógeno ".
Shucheng Chen, estudiante de posgrado de Stanford, que trabaja con el profesor de Stanford Zhenan Bao, luego preparó los catalizadores de carbono y midió sus propiedades. Con la ayuda de los científicos del personal de SSRL Dennis Nordlund y Dimosthenis Sokaras, Estos catalizadores también se caracterizaron utilizando rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
"Dependemos de nuestros experimentos en SSRL para comprender mejor la estructura de nuestro material y verificar que tenga los tipos correctos de defectos, "Dijo Shucheng Chen.
Finalmente, le pasó el catalizador a su compañero de cuarto Bill Chen, quien diseñó, construyó y probó su dispositivo.
"Nuestro dispositivo tiene tres compartimentos, "Bill Chen explicó." En la primera cámara, el gas oxígeno fluye a través de la cámara, interactúa con el catalizador fabricado por Shucheng y se reduce a peróxido de hidrógeno. Luego, el peróxido de hidrógeno ingresa a la cámara central, donde se almacena en una solución. "En una tercera cámara, otro catalizador convierte el agua en gas oxígeno, y el ciclo comienza de nuevo.
La separación de los dos catalizadores con una cámara intermedia hace que el dispositivo sea más económico, más simple y más robusto que separarlos con una membrana semipermeable estándar, que puede ser atacado y degradado por el peróxido de hidrógeno.
Un pequeño dispositivo para la producción de peróxido de hidrógeno (caja de metal en la imagen de la derecha) que funciona con dos paneles solares convencionales. El dispositivo de bajo costo se está desarrollando para producir peróxido de hidrógeno en el sitio para la purificación de agua en aldeas rurales. Crédito:Zhihua Chen / Universidad de Stanford
El dispositivo también puede funcionar con fuentes de energía renovables disponibles en las aldeas. La celda electroquímica es esencialmente un circuito eléctrico que opera con un pequeño voltaje aplicado a través de él. La reacción en la cámara uno pone electrones en oxígeno para producir peróxido de hidrógeno, que se equilibra mediante una contrarreacción en la cámara tres que toma electrones del agua para producir oxígeno, igualando la corriente y completando el circuito. Dado que el dispositivo requiere solo alrededor de 1,7 voltios aplicados entre los catalizadores, puede funcionar con una batería o con dos paneles solares estándar.
Los grupos de investigación ahora están trabajando en un dispositivo de mayor capacidad.
Actualmente, la cámara intermedia contiene sólo unos 10 microlitros de peróxido de hidrógeno; quieren hacerlo más grande. También están tratando de hacer circular continuamente el líquido en la cámara del medio para bombear rápidamente el peróxido de hidrógeno, por lo que el tamaño de la cámara de almacenamiento ya no limita la producción.
También les gustaría producir peróxido de hidrógeno en concentraciones más altas. Sin embargo, solo se necesitan unos pocos miligramos para tratar un litro de agua, y el prototipo actual ya produce una concentración suficiente, que es una décima parte de la concentración de peróxido de hidrógeno que compra en la tienda para sus necesidades médicas básicas.
A largo plazo, el equipo quiere cambiar el ambiente alcalino dentro de la celda a uno neutral que se parezca más al agua. Esto facilitaría el uso por parte de las personas, porque el peróxido de hidrógeno se puede mezclar directamente con el agua potable sin tener que neutralizarlo primero.
Los miembros del equipo están entusiasmados con sus resultados y sienten que están en el camino correcto para desarrollar un dispositivo práctico.
"Actualmente es solo un prototipo, pero personalmente creo que brillará en el área de la purificación de agua descentralizada para el mundo en desarrollo, "dijo Bill Chen." Es como una caja mágica. Espero que se convierta en realidad ".
