Un réacteur développé par des chimistes de l'Université Rice produit du peroxyde d'hydrogène à partir de l'air, eau et électricité. La méthode respectueuse de l'environnement promet de fournir des solutions personnalisées du produit chimique au point de demande. Crédit :Brandon Martin/Université Rice
La production de peroxyde d'hydrogène peut être beaucoup plus sûre et plus simple grâce à un processus développé à l'Université Rice.
Un réacteur développé par Haotian Wang et ses collègues de la Brown School of Engineering de Rice ne nécessite que de l'air, de l'eau et de l'électricité pour fabriquer le produit chimique précieux dans la concentration souhaitée et la pureté élevée.
Leur procédé d'électrosynthèse, détaillé dans Science , utilise un catalyseur à base de nanoparticules de carbone oxydé et pourrait permettre la production au point d'utilisation de solutions de peroxyde d'hydrogène pur, éliminant le besoin de transporter le produit chimique concentré, ce qui est dangereux.
En utilisant un électrolyte solide au lieu de l'électrolyte liquide traditionnel, il élimine également le besoin de séparation ou de purification des produits utilisés dans les procédés actuels, donc aucun ion contaminant ne sera impliqué.
"Si nous avons de l'électricité à partir d'un panneau solaire, nous pouvons littéralement obtenir du peroxyde d'hydrogène à partir de la lumière du soleil, air et eau, " a déclaré Wang. " Nous n'avons pas besoin d'impliquer la consommation de matières organiques ou de combustibles fossiles. Synthèse de peroxyde d'hydrogène par traditionnel, les énormes usines de génie chimique génèrent des déchets organiques, consomme des combustibles fossiles et émet du dioxyde de carbone. Ce que nous faisons, c'est de la synthèse verte."
L'étudiant diplômé de l'Université Rice, Yang Xia, montre la sortie d'un nouveau réacteur qui utilise uniquement de l'air, eau et électricité pour produire du peroxyde d'hydrogène à la demande. Crédit :Brandon Martin/Université Rice
Le peroxyde d'hydrogène est largement utilisé comme antiseptique, un détergent, en cosmétique, comme agent de blanchiment et dans la purification de l'eau, parmi de nombreuses autres applications. Le composé est produit dans des concentrations industrielles allant jusqu'à 60% en solution avec de l'eau, mais dans de nombreuses utilisations courantes, la solution est beaucoup plus diluée.
"Le peroxyde d'hydrogène industriel doit être transporté à des concentrations élevées pour maximiser l'économie, " a dit Wang.
« Le transport est dangereux et coûteux car le composé concentré est instable. Le peroxyde d'hydrogène se dégrade également avec le temps, et doit être stocké une fois arrivé à destination.
« Notre technologie délocalise la production de peroxyde d'hydrogène, " a-t-il dit. " Comme l'apport d'électricité renouvelable devient moins cher, l'air est gratuit et l'eau est également bon marché, notre produit doit être compétitif en termes de prix.
"Au lieu de stocker des conteneurs de peroxyde d'hydrogène, les hôpitaux qui l'utilisent comme désinfectant pourraient à l'avenir ouvrir un robinet et obtenir, par exemple, une solution à 3% à la demande, " a dit Wang. " Au lieu de stocker des produits chimiques pour désinfecter l'eau de la piscine, les propriétaires peuvent appuyer sur un interrupteur et allumer le réacteur pour nettoyer leurs piscines. »
De gauche, Les chercheurs de l'Université Rice Yang Xia, Chuan Xia et Haotian Wang montrent comment le peroxyde d'hydrogène fraîchement produit par leur réacteur purifie un contaminant dans l'eau. Le réacteur utilise uniquement de l'air, l'eau et l'électricité pour produire le précieux produit chimique. Crédit :Brandon Martin/Université Rice
Le réacteur de Rice ressemble un peu à une pile à combustible, avec des électrodes de chaque côté pour traiter l'hydrogène (ou l'eau) et l'oxygène (de l'air), les alimenter à des catalyseurs sur deux électrodes prenant en sandwich un électrolyte solide poreux conducteur ionique.
« Une pile à combustible minimise la production de peroxyde d'hydrogène pour ne produire que de l'eau avec une efficacité énergétique maximisée, ", a déclaré Chuan Xia, chercheur postdoctoral et auteur principal de Rice. "Dans notre cas, nous voulons plutôt maximiser le peroxyde d'hydrogène, et avons réglé notre catalyseur pour le faire."
Le catalyseur au noir de carbone à faible coût, fixé dans un électrolyte solide et oxydé pour augmenter sa réactivité, déplace la voie de réduction de l'oxygène vers le produit chimique souhaité à des taux et des concentrations déterminés par la tension appliquée, d'alimentation en air et en eau et un approvisionnement constant en eau déminéralisée. La réaction a lieu à des températures et pressions ambiantes.
Co-auteur principal Yang Xia, un étudiant de deuxième année au laboratoire Wang, a déclaré que le catalyseur s'est avéré suffisamment robuste pour synthétiser une solution pure de peroxyde d'hydrogène à 1 % en poids sur 100 heures continues en laboratoire avec une dégradation négligeable.
Wang a déclaré que le laboratoire prévoyait de concevoir à la fois des réacteurs plus grands et des composants plug-and-play en vue de tester avec des partenaires industriels. Il voit de grandes promesses pour des applications à l'échelle industrielle comme les systèmes de purification d'eau municipaux. Le laboratoire Rice a testé de faibles concentrations de son produit sur l'eau de pluie du campus et a prouvé sa capacité à éliminer les contaminants de carbone organique.
"Il y a tellement d'applications potentielles, " dit-il. " Avant cela, la synthèse électrochimique du peroxyde d'hydrogène était limitée par son processus de séparation ou de purification du produit, mais nous avons résolu le gros obstacle aux applications pratiques."
L'étudiant diplômé de Rice Peng Zhu et le visiteur universitaire Lei Fan sont les co-auteurs de l'article. Wang est le président du conseil d'administration de William Marsh Rice, professeur adjoint en génie chimique et biomoléculaire et boursier mondial CIFAR Azrieli 2019.
L'Université Rice et la bourse postdoctorale J. Evans Attwell-Welch fournie par le Smalley-Curl Institute ont soutenu la recherche.
