O acesso limitado à água potável é um grande problema para bilhões de pessoas no mundo em desenvolvimento, onde as fontes de água são frequentemente contaminadas com áreas urbanas, resíduos industriais e agrícolas. Muitos organismos causadores de doenças e poluentes orgânicos podem ser rapidamente removidos da água usando peróxido de hidrogênio, sem deixar quaisquer produtos químicos residuais prejudiciais. Contudo, produzir e distribuir peróxido de hidrogênio é um desafio em muitas partes do mundo.

Agora, os cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford criaram um pequeno dispositivo para a produção de peróxido de hidrogênio que pode ser alimentado por fontes de energia renováveis, como painéis solares convencionais.

“A ideia é desenvolver uma célula eletroquímica que gere peróxido de hidrogênio a partir do oxigênio e da água no local, e, em seguida, usar esse peróxido de hidrogênio nas águas subterrâneas para oxidar contaminantes orgânicos que são prejudiciais para os humanos ingerirem, "disse Chris Hahn, um cientista da equipe associada do SLAC.

Seus resultados foram relatados em 1º de março em Química e Engenharia de Reação .

O projeto foi uma colaboração entre três grupos de pesquisa do Centro SUNCAT para Ciência de Interface e Catálise, que é administrado conjuntamente pelo SLAC e pela Universidade de Stanford.

"A maioria dos projetos aqui na SUNCAT segue um caminho semelhante, "disse Zhihua (Bill) Chen, um estudante de graduação no grupo de Tom Jaramillo, um professor associado no SLAC e Stanford. "Eles começam com previsões baseadas na teoria, passar para o desenvolvimento do catalisador e, eventualmente, produzir um dispositivo protótipo com uma aplicação prática. "

Nesse caso, pesquisadores do grupo de teoria liderado pelo professor Jens Nørskov / Stanford do SLAC usaram modelagem computacional, na escala atômica, investigar catalisadores à base de carbono capazes de diminuir o custo e aumentar a eficiência da produção de peróxido de hidrogênio. Seu estudo revelou que a maioria dos defeitos nesses materiais são naturalmente seletivos para a geração de peróxido de hidrogênio, e alguns também são altamente ativos. Uma vez que os defeitos podem ser formados naturalmente nos materiais à base de carbono durante o processo de crescimento, a principal descoberta foi fazer um material com o maior número de defeitos possível.

"Meu catalisador anterior para esta reação usava platina, que é muito caro para purificação de água descentralizada, "disse a engenheira de pesquisa Samira Siahrostami." A coisa bonita sobre nosso material mais barato à base de carbono é que ele tem um grande número de defeitos que são locais ativos para catalisar a produção de peróxido de hidrogênio. "

Shucheng Chen, estudante de graduação de Stanford, que trabalha com o professor de Stanford Zhenan Bao, em seguida, preparou os catalisadores de carbono e mediu suas propriedades. Com a ajuda dos cientistas da equipe do SSRL Dennis Nordlund e Dimosthenis Sokaras, esses catalisadores também foram caracterizados usando raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, um DOE Office of Science User Facility.

"Dependemos de nossos experimentos no SSRL para entender melhor a estrutura do nosso material e verificar se ele tinha os tipos certos de defeitos, "Shucheng Chen disse.

Finalmente, ele passou o catalisador para seu colega de quarto Bill Chen, quem desenhou, construiu e testou seu dispositivo.

"Nosso dispositivo tem três compartimentos, "Bill Chen explicou." Na primeira câmara, gás oxigênio flui através da câmara, faz interface com o catalisador feito por Shucheng e é reduzido a peróxido de hidrogênio. O peróxido de hidrogênio então entra na câmara do meio, onde é armazenado em uma solução. "Em uma terceira câmara, outro catalisador converte água em gás oxigênio, e o ciclo recomeça.

Separar os dois catalisadores com uma câmara intermediária torna o dispositivo mais barato, mais simples e mais robusto do que separá-los com uma membrana semipermeável padrão, que pode ser atacado e degradado pelo peróxido de hidrogênio.

O dispositivo também pode funcionar com fontes de energia renováveis ​​disponíveis nas aldeias. A célula eletroquímica é essencialmente um circuito elétrico que opera com uma pequena voltagem aplicada a ela. A reação na câmara um coloca elétrons em oxigênio para fazer peróxido de hidrogênio, que é balanceado por uma reação contrária na câmara três que leva elétrons da água para fazer oxigênio - combinando a corrente e completando o circuito. Uma vez que o dispositivo requer apenas cerca de 1,7 volts aplicados entre os catalisadores, ele pode funcionar com uma bateria ou dois painéis solares padrão.

Os grupos de pesquisa agora estão trabalhando em um dispositivo de maior capacidade.

Atualmente, a câmara do meio contém apenas cerca de 10 microlitros de peróxido de hidrogênio; eles querem torná-lo maior. Eles também estão tentando fazer circular continuamente o líquido na câmara do meio para bombear rapidamente o peróxido de hidrogênio, portanto, o tamanho da câmara de armazenamento não limita mais a produção.

Eles também gostariam de fazer peróxido de hidrogênio em concentrações mais altas. Contudo, apenas alguns miligramas são necessários para tratar um litro de água, e o protótipo atual já produz uma concentração suficiente, que é um décimo da concentração de peróxido de hidrogênio que você compra na loja para suas necessidades médicas básicas.

A longo prazo, a equipe quer mudar o ambiente alcalino dentro da célula para um neutro, mais parecido com a água. Isso tornaria mais fácil para as pessoas usarem, porque o peróxido de hidrogênio pode ser misturado diretamente à água potável, sem a necessidade de neutralizá-lo primeiro.

Os membros da equipe estão entusiasmados com seus resultados e sentem que estão no caminho certo para desenvolver um dispositivo prático.

"Atualmente é apenas um protótipo, mas eu pessoalmente acho que vai brilhar na área de purificação descentralizada de água para o mundo em desenvolvimento, "disse Bill Chen." É como uma caixa mágica. Espero que se torne realidade. "