Un reactor desarrollado por químicos de la Universidad de Rice produce peróxido de hidrógeno a partir del aire, agua y electricidad. El método ecológico promete ofrecer soluciones personalizadas del producto químico en el punto de demanda. Crédito:Brandon Martin / Rice University
La producción de peróxido de hidrógeno puede ser mucho más segura y sencilla a través de un proceso desarrollado en Rice University.
Un reactor desarrollado por Haotian Wang y sus colegas de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice solo requiere aire, agua y electricidad para producir el valioso producto químico en la concentración deseada y alta pureza.
Su proceso de electrosíntesis, detallado en Ciencias , utiliza un catalizador basado en nanopartículas de carbono oxidado y podría permitir la producción en el punto de uso de soluciones de peróxido de hidrógeno puro, eliminando la necesidad de transportar el producto químico concentrado, que es peligroso.
Al usar un electrolito sólido en lugar del electrolito líquido tradicional, También elimina la necesidad de separación o purificación del producto utilizado en los procesos actuales, por lo que no se involucrarán iones contaminantes.
"Si tenemos electricidad de un panel solar, literalmente, podemos obtener peróxido de hidrógeno solo con la luz solar, aire y agua, ", dijo Wang." No necesitamos involucrar el consumo de combustibles fósiles o orgánicos. Síntesis de peróxido de hidrógeno por métodos tradicionales, enormes plantas de ingeniería química generan desechos orgánicos, consume combustibles fósiles y emite dióxido de carbono. Lo que estamos haciendo es una síntesis verde ".
El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Yang Xia, muestra la salida de un nuevo reactor que usa solo aire, agua y electricidad para producir peróxido de hidrógeno bajo demanda. Crédito:Brandon Martin / Rice University
El peróxido de hidrógeno se usa ampliamente como antiséptico, un detergente, en cosmética, como agente blanqueador y en la depuración de agua, entre muchas otras aplicaciones. El compuesto se produce en concentraciones industriales de hasta un 60% de solución con agua, pero en muchos usos comunes, la solución está mucho más diluida.
"El peróxido de hidrógeno industrial debe transportarse en altas concentraciones para maximizar la economía, "Dijo Wang.
"El transporte es peligroso y costoso porque el compuesto concentrado es inestable. El peróxido de hidrógeno también se degrada con el tiempo, y debe almacenarse una vez que llegue a su destino.
"Nuestra tecnología deslocaliza la producción de peróxido de hidrógeno, ", dijo." A medida que la electricidad renovable se vuelve más barata, el aire es gratis y el agua también es barata, nuestro producto debe ser competitivo en términos de precio.
"En lugar de almacenar contenedores de peróxido de hidrógeno, Los hospitales que lo usan como desinfectante podrían en el futuro abrir un grifo y obtener, por ejemplo, una solución al 3% bajo demanda, ", Dijo Wang." En lugar de almacenar productos químicos para desinfectar el agua de la piscina, los propietarios pueden presionar un interruptor y encender el reactor para limpiar sus piscinas ".
Desde la izquierda, Los investigadores de la Universidad de Rice, Yang Xia, Chuan Xia y Haotian Wang demuestran cómo el peróxido de hidrógeno recién producido por su reactor purifica un contaminante en el agua. El reactor usa solo aire, agua y electricidad para producir el valioso químico. Crédito:Brandon Martin / Rice University
El reactor de Rice es algo similar a una pila de combustible, con electrodos a cada lado para procesar hidrógeno (o agua) y oxígeno (del aire), alimentándolos a catalizadores en dos electrodos intercalando un electrolito sólido poroso iónicamente conductor.
"Una celda de combustible minimiza la producción de peróxido de hidrógeno para producir solo agua con la máxima eficiencia energética, ", dijo el investigador postdoctoral y autor principal de Rice, Chuan Xia." En nuestro caso, queremos maximizar el peróxido de hidrógeno en su lugar, y hemos puesto a punto nuestro catalizador para hacerlo ".
El catalizador de negro de humo de bajo costo, fijado en un electrolito sólido y oxidado para mejorar su reactividad, desplaza la vía de reducción de oxígeno hacia la sustancia química deseada a velocidades y concentraciones determinadas por el voltaje aplicado, materia prima de aire y agua y un suministro constante de agua desionizada. La reacción tiene lugar a temperaturas y presiones ambientales.
El coautor principal Yang Xia, un estudiante de posgrado de segundo año en el laboratorio de Wang, dijo que el catalizador demostró ser lo suficientemente robusto como para sintetizar una solución pura de peróxido de hidrógeno al 1% en peso durante 100 horas continuas en el laboratorio con una degradación insignificante.
Wang dijo que el laboratorio planea diseñar tanto reactores más grandes como componentes plug-and-play con miras a realizar pruebas con socios industriales. Él ve una gran promesa para aplicaciones a escala industrial como los sistemas municipales de purificación de agua. El laboratorio de Rice ha probado concentraciones bajas de su producto en el agua de lluvia del campus y ha demostrado su capacidad para eliminar los contaminantes de carbono orgánico.
"Hay tantas aplicaciones potenciales, ", dijo." Antes de esto, la síntesis electroquímica de peróxido de hidrógeno estaba limitada por su proceso de separación o purificación de productos, pero hemos resuelto la gran barrera para las aplicaciones prácticas ".
El estudiante graduado de Rice, Peng Zhu, y la visitante académica Lei Fan son coautores del artículo. Wang es el presidente del fideicomisario de William Marsh Rice, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular y CIFAR Azrieli Global Scholar 2019.
Rice University y la Beca Postdoctoral J. Evans Attwell-Welch proporcionada por el Instituto Smalley-Curl apoyaron la investigación.
