Cientistas da Rice University introduziram o negro de fumo tratado com plasma como um catalisador simples e altamente eficiente para a produção de peróxido de hidrogênio. Defeitos criados no carbono fornecem mais sítios catalíticos para reduzir o oxigênio a peróxido de hidrogênio. Crédito:Tour Group / Yakobson Research Group / Rice University
Os pesquisadores da Rice University criaram um catalisador "defeituoso" que simplifica a geração de peróxido de hidrogênio a partir do oxigênio.
Os cientistas do arroz trataram o negro de fumo sem metal, o barato, produto em pó da produção de petróleo, com plasma de oxigênio. O processo introduz defeitos e grupos contendo oxigênio na estrutura das partículas de carbono, expondo mais área de superfície para interações.
Quando usado como um catalisador, as partículas defeituosas conhecidas como CB-Plasma reduzem o oxigênio a peróxido de hidrogênio com 100% de eficiência Faradaica, uma medida de transferência de carga em reações eletroquímicas. O processo mostra a promessa de substituir o complexo método de produção à base de antraquinona que requer catalisadores caros e gera subprodutos orgânicos tóxicos e grandes quantidades de águas residuais, de acordo com os pesquisadores.
A pesquisa do químico James Tour de Rice e do teórico de materiais Boris Yakobson aparece no jornal American Chemical Society Catálise ACS .
O peróxido de hidrogênio é amplamente utilizado como desinfetante, bem como no tratamento de águas residuais, nas indústrias de papel e celulose e para oxidação química. A Tour espera que o novo processo influencie o projeto de catalisadores de peróxido de hidrogênio no futuro.
Uma imagem do microscópio eletrônico de transmissão mostra detalhes das partículas de negro de fumo após o tratamento com plasma. Defeitos na rede de carbono causados pelo plasma de oxigênio aumentam a capacidade do material de catalisar a produção de peróxido de hidrogênio, de acordo com cientistas da Rice University. Crédito:Tour Group / Yakobson Research Group / Rice University
"O processo eletroquímico descrito aqui não precisa de catalisadores de metal, e isso vai reduzir o custo e tornar todo o processo muito mais simples, "Tour disse." A engenharia adequada da estrutura de carbono pode fornecer locais ativos adequados que reduzem as moléculas de oxigênio, mantendo a ligação O-O, de modo que o peróxido de hidrogênio é o único produto. Além disso, o design sem metal ajuda a prevenir a decomposição do peróxido de hidrogênio. "
O processamento de plasma cria defeitos nas partículas de negro de fumo que aparecem como anéis de cinco ou sete membros na estrutura atômica do material. O processo às vezes remove átomos suficientes para criar vagas na rede.
O catalisador funciona puxando dois elétrons do oxigênio, permitindo que ele se combine com dois elétrons de hidrogênio para criar o peróxido de hidrogênio. (Reduzindo o oxigênio em quatro elétrons, um processo usado em células de combustível, produz água como subproduto.)
"A seletividade para o peróxido, em vez da água, não se origina do negro de fumo em si, mas, como (co-autor principal e estudante de pós-graduação do Rice) mostram os cálculos de Qin-Kun Li, dos defeitos específicos criados pelo processamento de plasma, "Yakobson disse." Esses locais de defeitos catalíticos favorecem a ligação de intermediários-chave para a formação de peróxido, diminuindo a barreira de reação e acelerando o resultado desejável. "
O laboratório da Tour também tratou negro de fumo com ozônio ultravioleta e CB-Plasma após a redução de oxigênio com argônio para remover a maioria dos grupos contendo oxigênio. CB-UV não foi melhor em catálise do que o negro de fumo puro, mas CB-Argon teve um desempenho tão bom quanto CB-Plasma com uma gama ainda mais ampla de potencial eletroquímico, o laboratório relatou.
Cientistas da Rice University revelaram um novo catalisador, negro de fumo tratado com plasma, para reduzir o oxigênio a um valioso peróxido de hidrogênio. O processo introduz defeitos no favo de mel atômico do material de carbono, fornecendo mais área de superfície para reações. Crédito:Cortesia do Tour Group / Yakobson Research Group
Como a exposição do CB-Plasma ao argônio sob alta temperatura removeu a maioria dos grupos de oxigênio, o laboratório inferiu que os próprios defeitos de carbono eram responsáveis pela redução catalítica em peróxido de hidrogênio.
A simplicidade do processo pode permitir a geração mais local do produto químico valioso, reduzindo a necessidade de transportá-lo de fábricas centralizadas. Tour observou que o CB-Plasma se equipara à eficiência dos materiais de última geração agora usados para gerar peróxido de hidrogênio.
"Escalar este processo é muito mais fácil do que os métodos atuais, e é tão simples que mesmo pequenas unidades podem ser usadas para gerar peróxido de hidrogênio nos locais de necessidade, "Tour disse.
O processo é o segundo introduzido por Rice nos últimos meses para tornar a fabricação de peróxido de hidrogênio mais eficiente. O engenheiro químico e biomolecular de arroz Haotian Wang e seu laboratório desenvolveram um catalisador à base de nanopartículas de carbono oxidado que produz o produto químico a partir da luz solar, ar e água.
