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(Foco Nanowerk) El peróxido de hidrógeno se utiliza a menudo para limpiar y blanquear como una alternativa más suave a los productos químicos agresivos. Sin embargo, el método de fabricación actual no es especialmente respetuoso con el medio ambiente. El proceso, llamado oxidación de antraquinonas, utiliza mucha energía y calor y genera desechos.
Los científicos buscan una forma más sostenible de producir peróxido de hidrógeno utilizando electricidad, oxígeno y agua. En este método basado en electricidad, utilizan una superficie especialmente recubierta, llamada «electrodo recubierto de catalizador», para convertir el oxígeno en peróxido de hidrógeno. El oxígeno se puede convertir de diferentes formas y de una forma se convierte completamente en agua. Sin embargo, para producir peróxido de hidrógeno, el cambio debe detenerse a la mitad, utilizando lo que los científicos llaman la “vía de dos electrones”.
Encontrar el catalizador adecuado que pueda impulsar este cambio de rumbo a mediano plazo es fundamental, pero también ha sido un desafío. Si pudieran resolverlo, producir peróxido de hidrógeno sería mucho más ecológico y eficiente.
En un nuevo estudio publicado en Materiales avanzados (“Adaptación de entornos atómicos-locales de puntas de nanotubos de carbono para H selectivo.”2oh2 “Electrosíntesis a altas densidades de corriente”), investigadores de la Universidad de Tecnología Química de Beijing han desarrollado una técnica para modificar nanotubos de carbono (CNT) para que funcionen como catalizadores de reducción de oxígeno de dos electrones altamente eficientes para H electroquímico.2oh2 Producción.
Combinando modelos y experimentos, optimizaron el entorno a nivel atómico en las puntas de CNT rotos y demostraron un nanomaterial que permite hacer H más ecológico y más eficiente energéticamente.2oh2 Síntesis.
![Mecanismo de fisión y sitios activos en la punta de los nanotubos de carbono.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63973_1.jpg)
La estructura única de los CNT (pequeños cilindros hechos de láminas laminadas de grafeno) les confiere propiedades beneficiosas para la electrocatálisis. Pero una menor actividad y selectividad para la reacción de oxígeno de dos electrones ha limitado su potencial. Los científicos utilizaron simulaciones y datos para demostrar que el fresado de bolas hace que los CNT se rompan preferentemente en las uniones entre nanotubos superpuestos, creando una gran cantidad de piezas de CNT con extremos abiertos y enlaces colgantes en los bordes que pueden usarse con otros elementos y pueden ser dopados.
Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad sugirieron que agregar nitrógeno y azufre a las puntas de los nanotubos de carbono podría ayudar a producir peróxido de hidrógeno de manera más efectiva, siguiendo el «camino de dos electrones» buscado por los científicos. Esto se logró experimentalmente moliendo CNT con bolas con un precursor de azufre, lo que dio como resultado CNT doblemente dopados con concentraciones de nitrógeno y azufre en las puntas, según datos de microscopía y espectroscopía.
Las pruebas demostraron que los CNT de doble punta exhibieron un rendimiento excepcional para H selectivo2oh2 Producción. Lograron 94,5% H2oh2 Selectividad a 0,56 V en comparación con un electrodo de hidrógeno reversible y supera a otros catalizadores de carbono sin metales. Sorprendentemente, mantuvieron más del 90 % de selectividad en un rango de potencial de 0,59 V, el valor más alto jamás informado para esta nueva clase de electrocatalizadores. Utilizando aire en lugar de oxígeno puro, el catalizador permitió una producción sin precedentes de 30 moles de H2oh2 generado por gramo por hora a 350 mA/cm2 Densidad actual.
Los investigadores también demostraron el potencial de aplicación práctica incorporando el catalizador CNT en varias configuraciones de celdas electroquímicas. En una celda de flujo basada en aire, el catalizador mantuvo una eficiencia superior al 90 % para la reacción de dos electrones a densidades de corriente de hasta 350 mA/cm2, con una degradación insignificante del rendimiento durante 200 horas continuas. Lo más importante es que desarrollaron una celda de electrolito sólido que utiliza el catalizador para producir directamente una solución de peróxido de hidrógeno puro a partir de aire y agua.
Esta investigación proporciona una prueba de concepto para el uso de modelos informáticos para guiar el diseño de catalizadores optimizados a nanoescala. El estudio abre la puerta a superar las limitaciones de los materiales a base de carbono para la producción electroquímica selectiva de sustancias químicas como el peróxido de hidrógeno. De cara al futuro, un mayor desarrollo de estos nanocatalizadores personalizados promete tecnologías más sostenibles y energéticamente eficientes para la producción in situ bajo demanda de productos químicos y combustibles esenciales.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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