Investigadores australianos dirigidos por la Universidad de Nueva Gales del Sur han utilizado el Sincrotrón australiano para comprender cómo la estructura química de un material catalítico avanzado contribuye a su estabilidad y eficiencia. El enfoque tiene el potencial de producir peróxido de hidrógeno (H2O2) en un proceso que es rentable con menos daño al medio ambiente.

El peróxido de hidrógeno es una sustancia química importante que se usa ampliamente en una variedad de aplicaciones, incluido el tratamiento de aguas residuales, desinfección, blanqueo de papel / pulpa, limpieza de semiconductores, minería y procesamiento de metales, pilas de combustible y en síntesis química.

Según un grupo de investigación de mercado internacional, IMARC, El tamaño del mercado mundial de peróxido de hidrógeno se valoró en US $ 4 mil millones en 2017 y está aumentando.

Los métodos de producción actuales se basan en grandes plantas químicas, donde el hidrógeno, el oxígeno atmosférico y un derivado de antraquinona se utilizan en un ciclo de reacción, eso es costoso, requiere un alto consumo de energía y no es respetuoso con el medio ambiente.

Un enfoque alternativo se basa en la reducción electroquímica de oxígeno (reacción de reducción de oxígeno) en ácidos, que se puede realizar en condiciones ambientales sin subproductos peligrosos.

Sin embargo, Los catalizadores de última generación para la producción de peróxido de hidrógeno en ácidos se han limitado a los metales preciosos, platino y paladio.

Otros intentos de utilizar los metales de transición, planchar, níquel y cobalto, resultó en una estructura inestable y bajo rendimiento.

En este estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores reconstruyeron la superficie de un material dopando nanotubos de carbono con cobalto y nitrógeno para formar catalizadores de átomos individuales en el sustrato en un intento de estabilizar los centros metálicos coordinados con nitrógeno.

Los experimentos que utilizaron rayos X suaves en el Sincrotrón de Australia ayudaron a aclarar y confirmar cómo la estructura facilitó las reacciones electroquímicas necesarias para producir peróxido de hidrógeno.

"Utilizamos una técnica conocida como NEXAFS, espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X cercana al borde, para observar el estado de coordinación u oxidación de varios elementos de interés:cobalto, carbono y oxígeno, "dijo el Dr. Lars Thomsen, Científico senior de instrumentos y coautor.

La unión de grupos epoxi (en los que los enlaces simples unen un átomo de oxígeno a dos átomos adyacentes) en lugar de los grupos hidroxilo a los centros de cobalto-níquel coordinados con nitrógeno en un sustrato de carbono contribuyó a la estabilidad del material y su eficacia catalítica.

Los investigadores informaron que la estructura da como resultado una energía de enlace cercana a la ideal que permite que la reacción de reducción de oxígeno proceda a través de una vía de transferencia de dos electrones casi completa.

En tono rimbombante, las muestras que se estudiaron también exhibieron una producción récord de peróxido de hidrógeno, y superó a casi todos los materiales catalizadores informados anteriormente.

"Una de las consideraciones más importantes es la capacidad de ofrecer un buen rendimiento y beneficios medioambientales, para ver una aceptación en la industria, "dijo Thomsen, quien trabajó en la síntesis del método de producción de acero verde como Ph.D. candidato.

Además de explicar el efecto potenciador de los grupos epoxi en la producción de peróxido de hidrógeno, la investigación proporciona información para estabilizar el rendimiento de los catalizadores de un solo átomo en las pilas de combustible ácidas.

Se llevaron a cabo otros experimentos de rayos X en Advanced Photon Source en los EE. UU.

La investigación fue dirigida por Ph.D. el candidato Qingran Zhang del Laboratorio de Investigación de Partículas y Catálisis dirigido por la Profesora Rose Amal en UNSW. Otros colaboradores incluyeron la Universidad Nacional de Australia y CSIRO.