Des scientifiques de l'Université Rice ont introduit le noir de carbone traité au plasma comme catalyseur simple et très efficace pour la production de peroxyde d'hydrogène. Les défauts créés dans le carbone fournissent plus de sites catalytiques pour réduire l'oxygène en peroxyde d'hydrogène. Crédit :Tour Group/Yakobson Research Group/Rice University
Des chercheurs de l'Université Rice ont créé un catalyseur « défectueux » qui simplifie la génération de peroxyde d'hydrogène à partir d'oxygène.
Les scientifiques du riz ont traité du noir de carbone sans métal, le pas cher, produit en poudre de la production pétrolière, avec du plasma d'oxygène. Le procédé introduit des défauts et des groupes contenant de l'oxygène dans la structure des particules de carbone, exposant plus de surface pour les interactions.
Lorsqu'il est utilisé comme catalyseur, les particules défectueuses connues sous le nom de CB-Plasma réduisent l'oxygène en peroxyde d'hydrogène avec une efficacité faradique de 100 %, une mesure du transfert de charge dans les réactions électrochimiques. Le procédé semble prometteur pour remplacer la méthode de production complexe à base d'anthraquinone qui nécessite des catalyseurs coûteux et génère des sous-produits organiques toxiques et de grandes quantités d'eaux usées, selon les chercheurs.
La recherche du chimiste Rice James Tour et du théoricien des matériaux Boris Yakobson apparaît dans la revue American Chemical Society Catalyse ACS .
Le peroxyde d'hydrogène est largement utilisé comme désinfectant, ainsi que dans le traitement des eaux usées, dans les industries du papier et de la pâte à papier et pour l'oxydation chimique. Tour s'attend à ce que le nouveau procédé influence la conception des catalyseurs de peroxyde d'hydrogène à l'avenir.
Une image au microscope électronique à transmission montre les détails des particules de noir de carbone après traitement au plasma. Les défauts du réseau de carbone causés par le plasma d'oxygène améliorent la capacité du matériau à catalyser la production de peroxyde d'hydrogène, selon les scientifiques de l'Université Rice. Crédit :Tour Group/Yakobson Research Group/Rice University
"Le processus électrochimique décrit ici n'a pas besoin de catalyseurs métalliques, et cela réduira le coût et rendra l'ensemble du processus beaucoup plus simple, " Tour a déclaré. " Une ingénierie appropriée de la structure du carbone pourrait fournir des sites actifs appropriés qui réduisent les molécules d'oxygène tout en maintenant la liaison O-O, de sorte que le peroxyde d'hydrogène est le seul produit. Par ailleurs, la conception sans métal aide à empêcher la décomposition du peroxyde d'hydrogène."
Le traitement au plasma crée des défauts dans les particules de noir de carbone qui apparaissent sous la forme d'anneaux à cinq ou sept membres dans le réseau atomique du matériau. Le processus supprime parfois suffisamment d'atomes pour créer des lacunes dans le réseau.
Le catalyseur fonctionne en tirant deux électrons de l'oxygène, lui permettant de se combiner avec deux électrons d'hydrogène pour créer du peroxyde d'hydrogène. (Réduction de l'oxygène de quatre électrons, un procédé utilisé dans les piles à combustible, produit de l'eau comme sous-produit.)
"La sélectivité envers le peroxyde plutôt que l'eau ne provient pas du noir de carbone en soi mais, comme (co-auteur principal et étudiant diplômé de Rice) les calculs de Qin-Kun Li le montrent, des défauts spécifiques créés par le traitement plasma, " Yakobson a déclaré. "Ces sites de défauts catalytiques favorisent la liaison d'intermédiaires clés pour la formation de peroxyde, en abaissant la barrière de réaction et en accélérant le résultat souhaité."
Le laboratoire de Tour a également traité le noir de carbone avec de l'ozone ultraviolet et traité le CB-Plasma 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 en catalyse que le noir de carbone ordinaire, mais CB-Argon fonctionnait aussi bien que CB-Plasma avec une gamme encore plus large de potentiel électrochimique, le laboratoire a signalé.
Les scientifiques de l'Université Rice ont révélé un nouveau catalyseur, noir de carbone traité au plasma, pour réduire l'oxygène en peroxyde d'hydrogène précieux. Le processus introduit des défauts dans le nid d'abeilles atomique du matériau carboné, fournissant plus de surface pour les réactions. Crédit :Avec l'aimable autorisation du Tour Group/Yakobson Research Group
Parce que l'exposition du CB-Plasma à l'argon à haute température a éliminé la plupart des groupes d'oxygène, le laboratoire a déduit que les défauts de carbone eux-mêmes étaient responsables de la réduction catalytique en peroxyde d'hydrogène.
La simplicité du processus pourrait permettre une génération plus locale du produit chimique précieux, réduisant le besoin de le transporter à partir d'usines centralisées. Tour a noté que CB-Plasma correspond à l'efficacité des matériaux de pointe maintenant utilisés pour générer du peroxyde d'hydrogène.
« La mise à l'échelle de ce processus est beaucoup plus facile que les méthodes actuelles, et c'est si simple que même de petites unités pourraient être utilisées pour générer du peroxyde d'hydrogène sur les sites de besoin, ", a déclaré la tournée.
Le procédé est le deuxième introduit par Rice ces derniers mois pour rendre la fabrication de peroxyde d'hydrogène plus efficace. L'ingénieur chimiste et biomoléculaire du riz Haotian Wang et son laboratoire ont développé un catalyseur à base de nanoparticules de carbone oxydé qui produit le produit chimique à partir de la lumière du soleil, air et eau.
