Um reator desenvolvido por químicos da Rice University produz peróxido de hidrogênio do ar, água e eletricidade. O método ecologicamente correto promete fornecer soluções personalizadas do produto químico no ponto de demanda. Crédito:Brandon Martin / Rice University
A produção de peróxido de hidrogênio pode ser muito mais segura e simples por meio de um processo desenvolvido na Rice University.
Um reator desenvolvido por Haotian Wang e seus colegas da Brown School of Engineering de Rice requer apenas ar, água e eletricidade para fazer o produto químico valioso na concentração desejada e alta pureza.
Seu processo de eletrossíntese, detalhado em Ciência , usa um catalisador à base de nanopartículas de carbono oxidado e pode permitir a produção no ponto de uso de soluções de peróxido de hidrogênio puro, eliminando a necessidade de transportar o produto químico concentrado, o que é perigoso.
Ao usar um eletrólito sólido em vez do eletrólito líquido tradicional, também elimina a necessidade de separação ou purificação do produto usado nos processos atuais, portanto, nenhum íon contaminante estará envolvido.
“Se tivermos eletricidade de um painel solar, podemos literalmente obter peróxido de hidrogênio apenas da luz solar, ar e água, "disse Wang." Não precisamos envolver o consumo de orgânicos ou combustíveis fósseis. Síntese de peróxido de hidrogênio tradicional, enormes fábricas de engenharia química geram resíduos orgânicos, consome combustíveis fósseis e emite dióxido de carbono. O que estamos fazendo é uma síntese verde. "
Yang Xia, estudante de pós-graduação da Rice University, mostra a produção de um novo reator que usa apenas ar, água e eletricidade para produzir peróxido de hidrogênio sob demanda. Crédito:Brandon Martin / Rice University
O peróxido de hidrogênio é amplamente utilizado como anti-séptico, um detergente, em cosméticos, como agente de branqueamento e na purificação de água, entre muitas outras aplicações. O composto é produzido em concentrações industriais de até 60% de solução com água, mas em muitos usos comuns, a solução é muito mais diluída.
"O peróxido de hidrogênio industrial deve ser transportado em altas concentrações para maximizar a economia, "Disse Wang.
"O transporte é perigoso e caro porque o composto concentrado é instável. O peróxido de hidrogênio também se degrada com o tempo, e deve ser armazenado assim que chegar ao destino.
"Nossa tecnologia desloca a produção de peróxido de hidrogênio, "disse ele." À medida que a entrada de eletricidade renovável fica mais barata, o ar é grátis e a água também é barata, nosso produto deve ser competitivo em termos de preço.
"Em vez de armazenar recipientes de peróxido de hidrogênio, hospitais que o usam como desinfetante podem, no futuro, abrir uma torneira e obter, por exemplo, uma solução de 3% sob demanda, "Disse Wang." Em vez de armazenar produtos químicos para desinfetar a água da piscina, os proprietários podem apertar um botão e ligar o reator para limpar suas piscinas. "
Da esquerda, Os pesquisadores da Rice University Yang Xia, Chuan Xia e Haotian Wang demonstram como o peróxido de hidrogênio recentemente produzido por seu reator purifica um contaminante na água. O reator usa apenas ar, água e eletricidade para produzir o produto químico valioso. Crédito:Brandon Martin / Rice University
O reator Rice é um pouco semelhante a uma célula de combustível, com eletrodos em ambos os lados para processar hidrogênio (ou água) e oxigênio (do ar), alimentá-los para catalisadores em dois eletrodos ensanduichando um eletrólito sólido poroso ionicamente condutor.
"Uma célula de combustível minimiza a produção de peróxido de hidrogênio para produzir apenas água com eficiência energética maximizada, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Rice e principal autor Chuan Xia." No nosso caso, queremos maximizar o peróxido de hidrogênio em vez disso, e ajustamos nosso catalisador para fazer isso. "
O catalisador de negro de fumo de baixo custo, fixado em um eletrólito sólido e oxidado para aumentar sua reatividade, muda o caminho de redução de oxigênio em direção ao produto químico desejado em taxas e concentrações determinadas pela voltagem aplicada, matéria-prima de ar e água e um suprimento constante de água desionizada. A reação ocorre sob pressão e temperatura ambiente.
Co-autor principal Yang Xia, um estudante de graduação do segundo ano no laboratório Wang, disse que o catalisador provou ser robusto o suficiente para sintetizar solução pura de peróxido de hidrogênio a 1% em peso ao longo de 100 horas contínuas no laboratório com degradação insignificante.
Wang disse que o laboratório planeja projetar reatores maiores e componentes plug-and-play com vistas a testes com parceiros industriais. Ele vê uma grande promessa para aplicações em escala industrial, como sistemas municipais de purificação de água. O laboratório Rice testou baixas concentrações de seu produto na água da chuva do campus e provou sua capacidade de remover contaminantes de carbono orgânico.
"Existem tantas aplicações potenciais, "disse ele." Antes disso, a síntese eletroquímica de peróxido de hidrogênio foi limitada por seu processo de separação ou purificação de produto, mas resolvemos a grande barreira das aplicações práticas. "
O estudante de pós-graduação do Rice Peng Zhu e o visitante acadêmico Lei Fan são co-autores do artigo. Wang é o presidente do conselho de curadores da William Marsh Rice, professor assistente de engenharia química e biomolecular e CIFAR Azrieli Global Scholar 2019.
A Rice University e a bolsa de pós-doutorado J. Evans Attwell-Welch fornecida pelo Smalley-Curl Institute apoiaram a pesquisa.
