Представлен фотокатализатор, способный производить перекись водорода из кислорода и воды

Прочитано: 68 раз(а)


Перекись водорода (H 2 O 2 ) представляет собой бесцветное жидкое соединение с сильными окислительными свойствами, которое может найти широкое применение в промышленности и медицине. Это соединение обычно синтезируют с помощью антрахинонового процесса, посредством которого соединение антрахинона в сочетании с материалами на основе палладия катализирует окисление диводорода (H 2 ) до H 2 O 2 с помощью O 2 из воздуха.

H 2 O 2 также теоретически может быть синтезирован с помощью фотокатализа, химической реакции, которая влечет за собой поглощение света реагирующими элементами за счет добавления катализаторов. Однако это было трудно надежно реализовать с использованием существующих катализаторов, которые могут слабо реагировать на солнечный свет, требовать расходуемых реагентов или недостаточно активны во время реакции.

Исследователи из Университета Цзяннань и Университета Цинхуа недавно представили новый фотокатализатор , который можно использовать для надежного производства H 2 O 2 только из H 2 O и O 2 посредством фотокатализа. Этот фотокатализатор, представленный в статье в Nature Energy , основан на самособирающемся тетракис(4-карбоксифенил)порфирине, соединении, которое иногда используется для анализа или удаления металлов.

«Фотокаталитическое производство H 2 O 2 требует только H 2 O, O 2 и солнечного света, что считается многообещающей альтернативой промышленному методу антрахинона», — сказал Tech Xplore Чэнси Пан, один из исследователей, проводивших исследование. «Однако из-за высокой свободной энергии Гиббса , равной 117 кДж моль -1 , большинству фотокаталитических систем требуются расходуемые реагенты (например, EtOH, IPA) для получения значительного количества H 2 O 2 . Наша группа с 2018 года работает над созданием фотокатализатора, который может непрерывно производить H 2 O 2 без расходуемых реагентов».

В одной из своих предыдущих работ Пан и его коллеги проверили потенциал фосфата висмута (BiPO 4 ) в качестве фотокатализатора для производства H 2 O 2 . Хотя их результаты были многообещающими, они обнаружили, что BiPO 4 реагирует только на ультрафиолетовый свет, что ограничивает его использование и препятствует применению солнечной энергии. Таким образом, в своем новом исследовании они намеревались оценить другой фотокатализатор, основанный на супрамолекуле тетракис(4-карбоксифенил)порфирина с узкой запрещенной зоной (TCPP).

«Мы использовали самособирающийся тетракис(4-карбоксифенил)порфириновый нанолист (SA-TCPP) для достижения желаемой активности», – объяснил Пан. «Этот материал был приготовлен путем растворения коммерческого нерасфасованного TCPP в NaOH и последующего добавления HCl. Для экспериментов по генерации H 2 O 2 определенное количество SA-TCPP было добавлено в стеклянную бутылку, содержащую только воду и пузырьки O 2 ».

Чтобы оценить активность своего фотокатализатора, Пан и его коллеги облучили стеклянную бутылку с раствором массой воздуха 1,5 спектра (AM 1,5G) с помощью солнечного имитатора, а затем нагрели ее при повышенной температуре 353 К. В начальных испытаниях , фотокатализатор SA-TCPP продемонстрировал квантовую эффективность в ближней инфракрасной области спектра 1,1% при 940 нм и высокую эффективность преобразования солнечной энергии в химическую, составляющую ок. 1,2%.

«Вдохновленные этими результатами, мы оценили фотокатализаторы в лабораторном проточном реакторе, в результате чего концентрация накопления H 2 O 2 составила около 1,1 мас.%, что близко к коммерческому уровню (3 мас.%), т.е. первый пример, который производит коммерческий уровень H 2 O 2 с помощью фотокаталитического метода», — сказал Пан.

Затем мы также обнаружили, что SA-TCPP может генерировать H 2 O 2 посредством двойного пути восстановления O 2 и окисления H 2 O, что является уникальной характеристикой по сравнению с большинством фотокатализаторов, о которых сообщалось ранее. В частности, мы заметили, что введение -COOH может способствовать пути окисления H 2 O, превращаясь в группы -CO 3 H, которые затем подвергаются термическому гидролизу».

Результаты первоначальных испытаний, проведенных этой группой исследователей, весьма многообещающи, подчеркивая ценность предложенного ими фотокатализатора для крупномасштабного производства H 2 O 2 с использованием солнечного света. В будущем их работа может стать основой для разработки других органических фотокатализаторов, которые могут достичь еще более высокой эффективности использования солнечной энергии, что позволит производить H 2 O 2 без жертв .

«Теперь мы планируем изучить две потенциальные области для будущей работы: интеграцию нашего фотокатализатора с материалами для фототермической конверсии и модернизацию реактора для достижения увеличения объема производства за пределами лабораторного масштаба», — добавил Пан.

«Объединяя наш фотокатализатор с материалами для фототермического преобразования, мы можем повышать его локальную температуру только за счет светового облучения, уменьшая потребность во внешних источниках тепла, как сообщается в нашей текущей статье. Кроме того, мы стремимся разработать масштабируемый прототип устройства для H 2 O 2 производство с SA-TCPP с использованием только воздуха, H 2 O и солнечного света за счет оптимизации конструкции реактора и параметров реакции».

Представлен фотокатализатор, способный производить перекись водорода из кислорода и воды



Новости партнеров