p Pesquisadores australianos liderados pela University of New South Wales usaram o Síncrotron Australiano para entender como a estrutura química de um material catalítico avançado contribui para sua estabilidade e eficiência. A abordagem tem o potencial de produzir peróxido de hidrogênio (H2O2) em um processo que é econômico e com menos danos ao meio ambiente. p O peróxido de hidrogênio é um produto químico importante amplamente utilizado em uma gama de aplicações, incluindo tratamento de águas residuais, desinfecção, branqueamento de papel / celulose, limpeza de semicondutores, mineração e processamento de metal, células a combustível e em síntese química.

p De acordo com um grupo internacional de pesquisa de mercado, IMARC, o tamanho do mercado global de peróxido de hidrogênio foi avaliado em US $ 4,0 bilhões em 2017 e está aumentando.

p Os métodos de produção atuais dependem de grandes fábricas de produtos químicos, onde o hidrogênio, oxigênio atmosférico e um derivado de antraquinona são usados ​​em um ciclo de reação, isso é caro, requer alto consumo de energia e não é ecologicamente correto.

p Uma abordagem alternativa é baseada na redução eletroquímica de oxigênio (reação de redução de oxigênio) em ácidos, que pode ser feito em condições ambientais sem subprodutos perigosos.

p Contudo, catalisadores de última geração para a produção de peróxido de hidrogênio em ácidos foram limitados aos metais preciosos, platina e paládio.

p Outras tentativas de usar os metais de transição, ferro, níquel e cobalto, resultou em uma estrutura instável e baixo desempenho.

p Neste estudo publicado em Nature Communications , os investigadores reconstruíram a superfície de um material dopando nanotubos de carbono com cobalto e nitrogênio para formar catalisadores de átomos únicos no substrato em uma tentativa de estabilizar os centros metálicos coordenados com nitrogênio.

p Experimentos usando raios X suaves no Síncrotron australiano ajudaram a esclarecer e confirmar como a estrutura facilitou as reações eletroquímicas necessárias para produzir peróxido de hidrogênio.

p "Usamos uma técnica conhecida como NEXAFS, espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X próxima à borda, para observar o estado de coordenação ou oxidação de vários elementos de interesse - cobalto, carbono e oxigênio, "disse o Dr. Lars Thomsen, Cientista de instrumentos sênior e co-autor.

p A ligação de grupos epóxi (em que ligações simples unem um átomo de oxigênio a dois átomos adjacentes) em vez de grupos hidroxila aos centros de cobalto-níquel coordenados com nitrogênio em um substrato de carbono contribuíram para a estabilidade do material e sua eficiência catalítica.

p Os pesquisadores relataram que a estrutura resulta em uma energia de ligação próxima à ideal, que permite que a reação de redução do oxigênio prossiga por meio de uma via de transferência quase completa de dois elétrons.

p Mais importante, as amostras que foram estudadas também exibiram produção recorde de peróxido de hidrogênio, e superou quase todos os materiais catalisadores relatados anteriormente.

p "Uma das considerações mais importantes é a capacidade de entregar um bom rendimento, bem como benefícios ambientais, para ver uma aceitação na indústria, "disse Thomsen, que trabalhou na síntese do método de produção de aço verde como um Ph.D. candidato.

p Além de explicar o efeito de aprimoramento dos grupos epóxi na produção de peróxido de hidrogênio, a pesquisa fornece insights para estabilizar o desempenho de catalisadores de átomo único em células a combustível ácidas.

p Outros experimentos de raios-X foram realizados na Advanced Photon Source nos Estados Unidos.

p A pesquisa foi liderada por Ph.D. candidato Qingran Zhang do Laboratório de Pesquisa de Partículas e Catálise liderado pela Prof Rose Amal na UNSW. Outros colaboradores incluíram a Australian National University e CSIRO.