Des chercheurs australiens dirigés par l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont utilisé le synchrotron australien pour comprendre comment la structure chimique d'un matériau catalytique avancé contribue à sa stabilité et à son efficacité. L'approche a le potentiel de produire du peroxyde d'hydrogène (H2O2) dans un processus qui est rentable avec moins de dommages à l'environnement.

Le peroxyde d'hydrogène est un produit chimique important qui est largement utilisé dans une gamme d'applications, y compris le traitement des eaux usées, désinfection, blanchiment papier/pâte, nettoyage de semi-conducteurs, l'exploitation minière et le traitement des métaux, piles à combustible et en synthèse chimique.

Selon un groupe d'étude de marché international, IMARC, la taille du marché mondial du peroxyde d'hydrogène était évaluée à 4,0 milliards de dollars américains en 2017 et est en augmentation.

Les méthodes de production actuelles reposent sur de grandes usines chimiques, où l'hydrogène, l'oxygène atmosphérique et un dérivé d'anthraquinone sont utilisés dans un cycle réactionnel, ça coûte cher, nécessite une forte consommation d'énergie et n'est pas respectueux de l'environnement.

Une approche alternative est basée sur la réduction électrochimique de l'oxygène (réaction de réduction de l'oxygène) dans les acides, ce qui peut être fait dans des conditions ambiantes sans sous-produits dangereux.

Cependant, les catalyseurs de pointe pour la production de peroxyde d'hydrogène dans les acides se sont limités aux métaux précieux, platine et palladium.

D'autres tentatives d'utilisation des métaux de transition, fer à repasser, nickel et cobalt, a entraîné une structure instable et des performances médiocres.

Dans cette étude publiée dans Communication Nature , les chercheurs ont reconstruit la surface d'un matériau en dopant des nanotubes de carbone avec du cobalt et de l'azote pour former des catalyseurs à atomes uniques sur le substrat dans le but de stabiliser les centres métalliques coordonnés à l'azote.

Des expériences utilisant des rayons X mous au synchrotron australien ont permis de clarifier et de confirmer comment la structure facilitait les réactions électrochimiques nécessaires à la production de peroxyde d'hydrogène.

"Nous avons utilisé une technique connue sous le nom de NEXAFS, spectroscopie de structure fine d'absorption de rayons X proche du bord, pour examiner la coordination ou l'état d'oxydation de divers éléments d'intérêt-cobalt, carbone et oxygène, " a déclaré le Dr Lars Thomsen, Scientifique principal des instruments et co-auteur.

La liaison de groupes époxy (dans lesquels des liaisons simples relient un atome d'oxygène à deux atomes adjacents) plutôt que de groupes hydroxyle aux centres cobalt-nickel coordonnés à l'azote sur un substrat de carbone a contribué à la stabilité du matériau et à son efficacité catalytique.

Les chercheurs ont rapporté que la structure entraîne une énergie de liaison proche de l'idéal qui permet à la réaction de réduction de l'oxygène de se dérouler via une voie de transfert presque complète de deux électrons.

Surtout, les échantillons qui ont été étudiés présentaient également une production record de peroxyde d'hydrogène, et a surpassé presque tous les matériaux catalytiques rapportés précédemment.

"L'une des considérations les plus importantes est la capacité à fournir un bon rendement ainsi que des avantages environnementaux, afin de voir une adoption dans l'industrie, " dit Thomsen, qui a travaillé sur la synthèse de la méthode de production d'acier vert en tant que doctorat. candidat.

En plus d'expliquer l'effet d'amélioration des groupes époxy sur la production de peroxyde d'hydrogène, la recherche fournit des informations pour stabiliser les performances des catalyseurs à un seul atome dans les piles à combustible acides.

D'autres expériences de rayons X ont été entreprises à la source avancée de photons aux États-Unis.

La recherche a été dirigée par Ph.D. le candidat Qingran Zhang du laboratoire de recherche sur les particules et la catalyse dirigé par le professeur Rose Amal à l'UNSW. Parmi les autres collaborateurs figuraient l'Australian National University et le CSIRO.