Los científicos de la Universidad de Rice han introducido el negro de carbón tratado con plasma como un catalizador simple y altamente eficiente para la producción de peróxido de hidrógeno. Los defectos creados en el carbono proporcionan más sitios catalíticos para reducir el oxígeno a peróxido de hidrógeno. Crédito:Tour Group / Yakobson Research Group / Rice University
Los investigadores de la Universidad de Rice han creado un catalizador "defectuoso" que simplifica la generación de peróxido de hidrógeno a partir del oxígeno.
Los científicos del arroz trataron el negro de carbón libre de metales, lo barato, producto en polvo de la producción de petróleo, con plasma de oxígeno. El proceso introduce defectos y grupos que contienen oxígeno en la estructura de las partículas de carbono, exponiendo más área de superficie para interacciones.
Cuando se usa como catalizador, las partículas defectuosas conocidas como CB-Plasma reducen el oxígeno a peróxido de hidrógeno con un 100% de eficiencia Faradaica, una medida de transferencia de carga en reacciones electroquímicas. El proceso parece prometedor para reemplazar el complejo método de producción basado en antraquinonas que requiere catalizadores costosos y genera subproductos orgánicos tóxicos y grandes cantidades de aguas residuales. según los investigadores.
La investigación del químico de Rice James Tour y el teórico de materiales Boris Yakobson aparece en la revista American Chemical Society Catálisis ACS .
El peróxido de hidrógeno se usa ampliamente como desinfectante, así como en el tratamiento de aguas residuales, en las industrias del papel y celulosa y para la oxidación química. Tour espera que el nuevo proceso influya en el diseño de los catalizadores de peróxido de hidrógeno en el futuro.
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra detalles de partículas de negro de humo después del tratamiento con plasma. Los defectos en la red de carbono causados por el plasma de oxígeno mejoran la capacidad del material para catalizar la producción de peróxido de hidrógeno, según los científicos de la Universidad de Rice. Crédito:Tour Group / Yakobson Research Group / Rice University
"El proceso electroquímico descrito aquí no necesita catalizadores metálicos, y esto reducirá el costo y hará que todo el proceso sea mucho más simple, ", Dijo Tour." La ingeniería adecuada de la estructura del carbono podría proporcionar sitios activos adecuados que reduzcan las moléculas de oxígeno mientras se mantiene el enlace O-O, de modo que el peróxido de hidrógeno es el único producto. Aparte de eso, el diseño sin metal ayuda a prevenir la descomposición del peróxido de hidrógeno ".
El procesamiento del plasma crea defectos en las partículas de negro de humo que aparecen como anillos de cinco o siete miembros en la red atómica del material. El proceso a veces elimina suficientes átomos para crear vacantes en la red.
El catalizador funciona extrayendo dos electrones del oxígeno, permitiendo que se combine con dos electrones de hidrógeno para crear peróxido de hidrógeno. (Reduciendo el oxígeno en cuatro electrones, un proceso utilizado en pilas de combustible, produce agua como subproducto).
"La selectividad hacia el peróxido en lugar del agua no se origina a partir del negro de carbón en sí, sino, como muestran los cálculos de Qin-Kun Li (coautor principal y estudiante graduado de Rice), de los defectos específicos creados por el procesamiento del plasma, "Yakobson dijo." Estos sitios de defectos catalíticos favorecen la unión de intermedios clave para la formación de peróxido, reduciendo la barrera de reacción y acelerando el resultado deseable ".
El laboratorio de Tour también trató el negro de carbón con ozono ultravioleta y trató CB-Plasma después de la reducción de oxígeno con argón para eliminar la mayoría de los grupos que contienen oxígeno. CB-UV no fue mejor en la catálisis que el negro de humo simple, pero CB-Argon funcionó tan bien como CB-Plasma con un rango aún más amplio de potencial electroquímico, informó el laboratorio.
Los científicos de la Universidad de Rice han revelado un nuevo catalizador, negro de humo tratado con plasma, para reducir el oxígeno a valioso peróxido de hidrógeno. El proceso introduce defectos en el panal atómico del material de carbono, proporcionando más superficie para las reacciones. Crédito:Cortesía del Tour Group / Yakobson Research Group
Debido a que la exposición de CB-Plasma al argón a alta temperatura eliminó la mayoría de los grupos de oxígeno, el laboratorio infirió que los propios defectos de carbono eran los responsables de la reducción catalítica a peróxido de hidrógeno.
La simplicidad del proceso podría permitir una generación más local del valioso químico, reduciendo la necesidad de transportarlo desde plantas centralizadas. Tour señaló que CB-Plasma coincide con la eficiencia de los materiales de última generación que ahora se utilizan para generar peróxido de hidrógeno.
"Escalar este proceso es mucho más fácil que los métodos actuales, y es tan simple que incluso pequeñas unidades podrían usarse para generar peróxido de hidrógeno en los sitios de necesidad, "Dijo Tour.
El proceso es el segundo introducido por Rice en los últimos meses para hacer más eficiente la fabricación de peróxido de hidrógeno. El ingeniero químico y biomolecular de Rice, Haotian Wang, y su laboratorio desarrollaron un catalizador basado en nanopartículas de carbono oxidado que produce la sustancia química a partir de la luz solar. aire y agua.
