L'accès limité à l'eau potable est un problème majeur pour des milliards de personnes dans le monde en développement, où les sources d'eau sont souvent contaminées par les eaux urbaines, déchets industriels et agricoles. De nombreux organismes pathogènes et polluants organiques peuvent être rapidement éliminés de l'eau à l'aide de peroxyde d'hydrogène sans laisser de produits chimiques résiduels nocifs. Cependant, produire et distribuer du peroxyde d'hydrogène est un défi dans de nombreuses régions du monde.

Aujourd'hui, des scientifiques du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont créé un petit appareil pour la production de peroxyde d'hydrogène qui pourrait être alimenté par des sources d'énergie renouvelables, comme les panneaux solaires conventionnels.

"L'idée est de développer une cellule électrochimique qui génère du peroxyde d'hydrogène à partir d'oxygène et d'eau sur place, puis utiliser ce peroxyde d'hydrogène dans les eaux souterraines pour oxyder les contaminants organiques qui sont nocifs pour les humains à ingérer, " a déclaré Chris Hahn, un scientifique associé du SLAC.

Leurs résultats ont été publiés le 1er mars dans Chimie et ingénierie de la réaction .

Le projet était une collaboration entre trois groupes de recherche du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, qui est géré conjointement par le SLAC et l'Université de Stanford.

"La plupart des projets ici à SUNCAT suivent un chemin similaire, " a déclaré Zhihua (Bill) Chen, un étudiant diplômé dans le groupe de Tom Jaramillo, professeur agrégé au SLAC et à Stanford. "Ils partent de prédictions basées sur la théorie, passer au développement de catalyseurs et éventuellement produire un prototype de dispositif avec une application pratique. »

Dans ce cas, les chercheurs du groupe théorique dirigé par le professeur SLAC/Stanford Jens Nørskov ont utilisé la modélisation informatique, à l'échelle atomique, étudier des catalyseurs à base de carbone capables de réduire le coût et d'augmenter l'efficacité de la production de peroxyde d'hydrogène. Leur étude a révélé que la plupart des défauts de ces matériaux sont naturellement sélectifs pour générer du peroxyde d'hydrogène, et certains sont également très actifs. Étant donné que des défauts peuvent se former naturellement dans les matériaux à base de carbone au cours du processus de croissance, la conclusion clé était de fabriquer un matériau avec autant de défauts que possible.

"Mon précédent catalyseur pour cette réaction utilisait du platine, ce qui est trop cher pour l'épuration décentralisée de l'eau, " a déclaré l'ingénieur de recherche Samira Siahrostami. " La belle chose à propos de notre matériau à base de carbone moins cher est qu'il a un grand nombre de défauts qui sont des sites actifs pour catalyser la production de peroxyde d'hydrogène. "

Shucheng Chen, étudiant diplômé de Stanford, qui travaille avec le professeur de Stanford Zhenan Bao, puis préparé les catalyseurs au carbone et mesuré leurs propriétés. Avec l'aide des scientifiques du SSRL Dennis Nordlund et Dimosthenis Sokaras, ces catalyseurs ont également été caractérisés à l'aide de rayons X à Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

"Nous nous sommes appuyés sur nos expériences à SSRL pour mieux comprendre la structure de notre matériau et vérifier qu'il présentait les bons types de défauts, " a déclaré Shucheng Chen.

Finalement, il a transmis le catalyseur à son colocataire Bill Chen, qui a conçu, construit et testé leur appareil.

"Notre appareil a trois compartiments, " expliqua Bill Chen. " Dans la première chambre, de l'oxygène gazeux traverse la chambre, s'interface avec le catalyseur fabriqué par Shucheng et est réduit en peroxyde d'hydrogène. Le peroxyde d'hydrogène pénètre alors dans la chambre médiane, où il est stocké dans une solution." Dans une troisième chambre, un autre catalyseur convertit l'eau en oxygène gazeux, et le cycle recommence.

La séparation des deux catalyseurs avec une chambre médiane rend l'appareil moins cher, plus simple et plus robuste que de les séparer avec une membrane semi-perméable standard, qui peut être attaqué et dégradé par le peroxyde d'hydrogène.

L'appareil peut également fonctionner avec des sources d'énergie renouvelables disponibles dans les villages. La cellule électrochimique est essentiellement un circuit électrique qui fonctionne avec une faible tension appliquée à ses bornes. La réaction dans la chambre 1 met des électrons dans l'oxygène pour produire du peroxyde d'hydrogène, qui est équilibré par une contre-réaction dans la chambre trois qui prend des électrons de l'eau pour fabriquer de l'oxygène, correspondant au courant et complétant le circuit. Étant donné que le dispositif ne nécessite qu'environ 1,7 volt appliqué entre les catalyseurs, il peut fonctionner sur une batterie ou deux panneaux solaires standard.

Les groupes de recherche travaillent maintenant sur un appareil de plus grande capacité.

Actuellement, la chambre du milieu ne contient qu'environ 10 microlitres de peroxyde d'hydrogène; ils veulent l'agrandir. Ils essaient également de faire circuler en continu le liquide dans la chambre du milieu pour pomper rapidement le peroxyde d'hydrogène, ainsi la taille de la chambre de stockage ne limite plus la production.

Ils aimeraient également fabriquer du peroxyde d'hydrogène à des concentrations plus élevées. Cependant, quelques milligrammes suffisent pour traiter un litre d'eau, et le prototype actuel produit déjà une concentration suffisante, qui est un dixième de la concentration du peroxyde d'hydrogène que vous achetez au magasin pour vos besoins médicaux de base.

À long terme, l'équipe veut changer l'environnement alcalin à l'intérieur de la cellule en un environnement neutre qui ressemble plus à de l'eau. Cela faciliterait l'utilisation par les gens, car le peroxyde d'hydrogène peut être mélangé directement à l'eau potable sans avoir à le neutraliser au préalable.

Les membres de l'équipe sont enthousiasmés par leurs résultats et sentent qu'ils sont sur la bonne voie pour développer un appareil pratique.

"Actuellement, ce n'est qu'un prototype, mais je pense personnellement que cela brillera dans le domaine de la purification décentralisée de l'eau pour le monde en développement, " a déclaré Bill Chen. "C'est comme une boîte magique. J'espère que cela pourra devenir une réalité."