Nowy katalizator osiąga 90% wydajności w produkcji nadtlenku wodoru, zwiększając bezpieczeństwo i zrównoważenie środowiskowe.
Naukowcy poczynili znaczny postęp w zwiększaniu wydajności reakcji elektrochemicznej wykorzystywanej do produkcji nadtlenku wodoru, substancji chemicznej o kluczowym znaczeniu w dezynfekcji, wybielaniu i oczyszczaniu ścieków. Reakcję, zwaną reakcją redukcji tlenu (ORR), udoskonalono poprzez opracowanie nowej klasy heterogenicznych katalizatorów molekularnych ze zintegrowanym polem magnetycznym.
Tradycyjne metody produkcji nadtlenku wodoru stwarzają kilka wyzwań; są energochłonne, a skoncentrowany produkt jest trudny do bezpiecznego transportu. Aby rozwiązać te problemy, zespół badawczy sięgnął po metodę elektrochemiczną, która jest bardziej wydajna i przyjazna dla środowiska.
Innowacyjna konstrukcja katalizatora
Zespół badawczy zaprojektował nowatorski katalizator poprzez zakotwiczenie cząsteczek ftalocyjaniny kobaltu (CoPc) w sadzy (CB), a następnie zintegrowanie ich z nanocząsteczkami magnetycznymi (Mag) chronionymi polimerami. Ta unikalna struktura umożliwia efektywną manipulację stanem spinu miejsc aktywnych kobaltu, znacznie zwiększając wydajność katalityczną.
Naukowcy odkryli, że katalizator CoPc/CB-Mag osiągnął niezwykłą skuteczność H2O2 wydajność produkcji na poziomie 90% i znacznie zwiększyła wydajność reakcji. Warto zauważyć, że katalizator wymaga jedynie minimalnych ilości materiałów magnetycznych – aż do siedmiu rzędów wielkości mniej niż w przypadku poprzednich podejść – co czyni go bezpieczniejszym i bardziej praktycznym w zastosowaniach na dużą skalę.
Magnetyczne wzmocnienie procesów katalitycznych
„Nasze zintegrowane podejście do pola magnetycznego może przesunąć centrum kobaltu ze stanu o niskim spinie do stanu o wysokim spinie bez modyfikowania jego struktury atomowej” – powiedział Di Zhang z Zaawansowanego Instytutu Badań Materiałowych (WPI-AIMR). „To przejście spinu radykalnie poprawia wewnętrzne aktywności katalizatora zarówno w reakcjach redukcji tlenu, jak i ewolucji.”
Aby zrozumieć podstawowy mechanizm stojący za tym nowym katalizatorem, wykorzystano technikę zwaną obliczeniami kompleksowej teorii funkcjonału gęstości (DFT). Zrozumienie, dlaczego i jak to działa, jest ważne dla przyszłych badań. „Odkryliśmy, że wysokospinowe miejsce Co wykazuje silniejsze wiązanie ze związkami pośrednimi zawierającymi tlen, co ma kluczowe znaczenie dla wydajnej katalizy” – wyjaśnił profesor nadzwyczajny Hao Li. „Polaryzacja spinowa indukowana polem magnetycznym ułatwia również transfer elektronów i przejścia spinów podczas etapy reakcji, zwiększając kinetykę katalityczną.”
„Połączenie wyników eksperymentalnych i spostrzeżeń teoretycznych zapewnia kompleksowy obraz tego, jak pola magnetyczne mogą poprawić wydajność katalityczną” – dodał Li. „Może to służyć jako wytyczne przy projektowaniu nowych katalizatorów w przyszłości”.
Konsekwencje dla zrównoważonych praktyk przemysłowych
Odkrycia mogą prowadzić do racjonalnego projektowania katalitycznych materiałów aktywnych, ukierunkowanych na bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska ścieżki produkcji nadtlenku wodoru i innych substancji chemicznych o wartości dodanej, przyczyniając się do światowych wysiłków na rzecz zrównoważonych procesów przemysłowych i technologii energetycznych neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla.
Odniesienie: „Manipulacja spinem heterogenicznych elektrokatalizatorów molekularnych za pomocą zintegrowanego pola magnetycznego w celu uzyskania efektywnych reakcji redoks z tlenem” autorstwa Zixuna Yu, Di Zhanga, Yangyang Wanga, Fangzhou Liu, Fangxina She, Jiaxiang Chen, Yuefeng Zhang, Ruijie Wang, Zhiyuan Zeng, Li Song , Yuan Chen, Hao Li i Li Wei, 17 września 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202408461
