В исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials & Interfaces , описывается новый метод производства перекиси водорода (H 2 O 2 ) без выделения углекислого газа (CO 2 ), одного из основных парниковых газов и одного из наиболее широко производимых химических веществ в мире.
Перекись водорода используется для отбеливания тканей, целлюлозы и бумаги, а также для отбеливания зубов. Он также используется в качестве топлива для двигателя для управления ориентацией спутника, а также в качестве дезинфицирующего или стерилизующего средства в больницах. Ежегодно производится около 2 миллионов метрических тонн соединения.
«Чтобы понять влияние наших выводов, важно, прежде всего, помнить о значении H 2 O 2 в химической промышленности и о том, как он производится в настоящее время», — сказал Иво Фрейтас Тейшейра, профессор химии Федерального университета. Сан-Карлос (UFSCar) в штате Сан-Паулу, Бразилия. У него есть докторская степень. по неорганической химии в Университете Сан-Паулу (USP) и был научным сотрудником Гумбольдта в Институте коллоидов и интерфейсов Макса Планка в Потсдаме, Германия, в период с 2019 по 2021 год.
«Вся эта перекись производится с помощью процесса, который включает антрахинон [соединение, полученное в результате гидролиза антрацена, токсичного вещества]. В этом процессе антрахинон восстанавливается, а затем окисляется до H 2 O 2 . Недостатками метода являются высокая стоимость антрахинона и использование драгоценных металлов, таких как Pd [палладий] и H 2 [водород] в качестве восстановителей.Этот водород производится путем конверсии метана с водяным паром, который включает высокие температуры и выделение CO 2 , способствуя глобальному потеплению,» он сказал.
В ходе исследования исследователи произвели пероксид из кислорода (O 2 ), используя фотокатализ для управления процессом. При фотокатализе катализаторы (вещества, ускоряющие химическую реакцию) активируются видимым светом, а не высокой температурой или давлением. Еще одним преимуществом их метода было использование нитрида углерода в качестве фотокатализатора.
Этот материал состоит только из углерода и азота, которых много в земной коре, и они могут быть активированы в видимой области, что соответствует примерно 45% солнечного спектра. Поэтому вполне вероятно, что вместо искусственного освещения можно будет использовать солнечный свет , что сделает процесс более рентабельным.
После тестирования различных условий реакции исследователи пришли к системе с превосходной скоростью производства H 2 O 2 . «Мы достигли восстановления O 2 с помощью фотокаталитического пути, в котором источником водорода была вода в реакционной среде или расходуемый реагент, обычно глицерин, побочный продукт производства биодизельного топлива», — пояснил Тейшейра.
В этой системе нитрид углерода используется в качестве полупроводника для разделения зарядов при освещении, что способствует реакциям восстановления и окисления. O 2 восстанавливается до H 2 O 2 , а жертвенный реагент (глицерин) окисляется. H 2 O 2 получается без необходимости использования H 2 и, следовательно, без выбросов CO2 .
«Путь, который нам пришлось пройти в нашем исследовании, пока мы не пришли к результатам, описанным в опубликованной статье, был долгим, потому что мы обнаружили, что в то же время, когда H 2 O 2 образуется на поверхности фотокатализатора, он также может деградировать», — сказал Тейшейра.
«Нам пришлось провести несколько испытаний и постоянно модифицировать фотокатализатор, чтобы стимулировать образование H 2 O 2 и избежать его разложения. Понимание механизма разложения H 2 O 2 на поверхности нитрида углерода было чрезвычайно важно, чтобы мы могли разработать идеальный фотокатализатор для этой реакции».
