Le carbone « défectueux » simplifie la production de peroxyde d’hydrogène


Les scientifiques de l’Université Rice ont introduit le noir de carbone traité au plasma comme catalyseur simple et très efficace pour la production de d’. Les défauts créés dans le carbone offrent plus de sites catalytiques pour réduire l’oxygène en peroxyde d’hydrogène. Crédit photo: Travel Group / Yakobson Research Group / Rice University

Les chercheurs de l’Université Rice ont mis au point un catalyseur «cassé» qui simplifie le processus de fabrication de peroxyde d’hydrogène à partir d’oxygène.

Les scientifiques du riz ont traité la suie sans métal, le produit en poudre à faible coût de la production de pétrole, avec du plasma d’oxygène. Le processus introduit des défauts et des groupes contenant de l’oxygène dans la structure des particules de carbone et expose plus de pour les interactions.

Lorsqu’elles sont utilisées comme catalyseur, les particules défectueuses connues sous le nom de plasma CB réduisent l’oxygène en peroxyde d’hydrogène avec une efficacité de Faraday de 100%, une mesure du transfert de charge dans les réactions électrochimiques. Le processus est très prometteur pour remplacer la méthode de production complexe à d’anthraquinone qui nécessite des catalyseurs coûteux et crée des sous-produits organiques toxiques et de grandes quantités d’eaux usées, ont déclaré les chercheurs.

Les recherches du rechemist James Tour et du théoricien des matériaux Boris Yakobson paraissent dans le Journal of the American Chemical Society Catalyse ACS.

Le peroxyde d’hydrogène est largement utilisé comme désinfectant ainsi que dans le traitement des eaux usées, dans l’industrie du papier et de la pâte à papier et pour l’oxydation chimique. Tour suppose que le nouveau processus influencera la conception des catalyseurs de peroxyde d’hydrogène à l’avenir.

Une image au microscope électronique à montre les détails des particules de suie après traitement au plasma. Les défauts du de carbone causés par le plasma d’oxygène améliorent la capacité du matériau à catalyser la production de peroxyde d’hydrogène, selon des scientifiques de l’Université Rice. Crédit photo: Travel Group / Yakobson Research Group / Rice University

« Le processus électrochimique décrit ici ne nécessite pas de catalyseurs métalliques. Cela réduit les coûts et simplifie considérablement l’ensemble du processus », a déclaré Tour. « Une bonne construction de la structure de carbone pourrait fournir des sites actifs appropriés qui réduisent les molécules d’oxygène tout en maintenant la liaison OO, faisant du peroxyde d’hydrogène le seul produit. De plus, la conception sans métal aide à empêcher le peroxyde d’hydrogène de se décomposer. »

Le traitement au plasma crée des défauts dans les particules de suie qui apparaissent comme des anneaux à cinq ou sept membres dans le réseau atomique du matériau. Le processus supprime parfois suffisamment d’atomes pour créer des vides dans le réseau.

Le catalyseur tire deux électrons de l’oxygène et peut se combiner avec deux électrons d’hydrogène pour former du peroxyde d’hydrogène. (La réduction de l’oxygène par quatre électrons, un processus utilisé dans les piles à combustible, crée de l’eau comme sous-produit.)

« La sélectivité envers le peroxyde au lieu de l’eau n’est pas basée sur la suie en soi, mais, comme le montrent les calculs de Qin-Kun Li (co-auteur principal et étudiant au doctorat Rice), sur les défauts spécifiques qui résultent du traitement au plasma, » dit Yakobson. « Ces défauts catalytiques favorisent la liaison des intermédiaires clés pour la formation de peroxyde, abaissent la barrière de réaction et accélèrent le résultat souhaité. »

Le laboratoire de Tour a également traité la suie avec de l’ozone ultraviolet et traité le plasma CB après réduction de l’oxygène avec de l’argon pour éliminer la plupart des groupes contenant de l’oxygène. Le CB-UV n’était pas meilleur que la suie ordinaire en catalyse, mais le CB-argon fonctionnait aussi bien que le plasma CB, avec un potentiel électrochimique encore plus large, a rapporté le laboratoire.

Les scientifiques de l’Université Rice ont découvert un nouveau catalyseur, le noir de carbone traité au plasma, pour réduire l’oxygène en peroxyde d’hydrogène précieux. Le processus conduit à des défauts dans le nid d’abeille atomique du matériau carboné et offre plus de surface pour les réactions. Crédit photo: avec l’aimable autorisation du Tour Group / Yakobson Research Group

Étant donné que l’exposition du plasma CB à l’argon à des températures élevées a éliminé la plupart des groupes oxygène, le laboratoire a conclu que les défauts de carbone eux-mêmes étaient responsables de la réduction catalytique en peroxyde d’hydrogène.

La simplicité du processus pourrait permettre au produit chimique précieux d’être produit plus localement et réduire la nécessité de le transporter à partir d’installations centralisées. Le plasma CB détecté par la tournée correspond à l’efficacité des matériaux les plus avancés actuellement utilisés pour générer du peroxyde d’hydrogène.

«La mise à l’échelle de ce processus est beaucoup plus facile que les méthodes actuelles et si simple que même de petites unités peuvent être utilisées pour générer du peroxyde d’hydrogène dans les endroits où le besoin se fait sentir», a déclaré M. Tour.

Le procédé est le deuxième que Rice a introduit ces derniers mois pour rendre la production de peroxyde d’hydrogène plus efficace. L’ingénieur chimiste et biomoléculaire en voyage Haotian Wang et son laboratoire ont développé un catalyseur à base de nanoparticules de carbone oxydées qui génère le produit chimique à partir de la lumière du soleil, de l’air et de l’eau.


Une nouvelle étude présente des groupes ozygénés hautement actifs dans des matériaux carbonés pour la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène


Plus d’information:
Zhe Wang et al., Génération de peroxyde d’hydrogène avec une efficacité de Faraday à 100% sur le noir de carbone sans métal, ACS Catal. 2021, 11, XXX, 2454-2459

Date de sortie: 9 février 2021. doi.org/10.1021/acscatal.0c04735

Fourni par Rice University

Citation: ‘Defective’ Carbon Simplifies Hydrogen Peroxide Production (2021, 9 février), consulté le 9 février 2021 sur https://phys.org/news/2021-02-defective-carbon-hydrogen-peroxide-production.html

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