Engenheiros resolvem o mistério da catálise versus corrosão na produção eletroquímica de ozônio
Interação entre corrosão catalítica e espécies reativas homogêneas de oxigênio na produção eletroquímica de ozônio. Crédito:John Keith Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh e da Universidade Drexel na Filadélfia, juntamente com o Laboratório Nacional de Brookhaven, estão trabalhando para resolver um mistério multifacetado para tornar os tratamentos de desinfecção da água mais sustentáveis.
Tecnologias escalonáveis de produção eletroquímica de ozônio (EOP) para desinfetar água suja poderão algum dia substituir os tratamentos centralizados com cloro usados hoje, seja em cidades modernas ou em vilas remotas. No entanto, pouco se sabe sobre a EOP a nível molecular e como as tecnologias que a tornam possível podem ser eficientes, económicas e sustentáveis.
Sua pesquisa, "Interação entre corrosão catalítica e espécies reativas homogêneas de oxigênio na produção eletroquímica de ozônio", foi publicada recentemente na revista ACS Catalysis. .
O autor principal é Drexel Ph.D. o estudante Rayan Alaufey, com pesquisadores colaboradores da Drexel, incluindo a co-PI Maureen Tang, professora associada de engenharia química e biológica, o pesquisador de pós-doutorado Andrew Lindsay, Ph.D. a estudante Tana Siboonruang e Ezra Wood, professor associado de química; co-PI John A. Keith, professor associado de engenharia química e de petróleo, e estudante de pós-graduação Lingyan Zhao de Pitt; e Qin Wu de Brookhaven.
“As pessoas usam cloro para tratar água potável desde o século 19, mas hoje entendemos melhor que o cloro nem sempre é a melhor opção. O EOP, por exemplo, pode gerar ozônio, uma molécula com aproximadamente o mesmo poder desinfetante do cloro, diretamente na água .
"Ao contrário do cloro, que persiste de forma estável na água, o ozônio na água se decompõe naturalmente após cerca de 20 minutos, o que significa que é menos provável que cause danos às pessoas ao consumir água da torneira, ao nadar em uma piscina ou ao limpar feridas em um hospital." explicou Keith, que também é R.K. Mellon Professor Fellow em Energia na Swanson School of Engineering de Pitt.
"O EOP para a desinfecção sustentável faria muito sentido em alguns mercados, mas fazê-lo requer um catalisador suficientemente bom, e como ainda ninguém encontrou um catalisador de EOP suficientemente bom, o EOP é demasiado caro e consome muita energia para uma utilização mais ampla.
"Meus colegas e eu pensamos que se pudéssemos decodificar em nível atômico o que faz um catalisador EOP medíocre funcionar, talvez pudéssemos projetar um catalisador EOP ainda melhor."
Resolver o mistério de como os catalisadores EOP funcionam é crucial para entender como projetar melhor um dos catalisadores EOP mais promissores e menos tóxicos conhecidos até o momento:óxido de estanho dopado com níquel e antimônio (Ni/Sb–SnO2 , ou OTAN).
Uma representação da produção eléctrica de ozono e a investigação do que realmente acontece a nível molecular. Crédito:John Keith
É aí, disse Keith, que reside o enigma:qual é o papel de cada átomo na OTAN para ajudar a EOP? Estará o ozono a formar-se cataliticamente da forma que desejamos, ou forma-se porque o catalisador está a decompor-se e é necessário fazer trabalho futuro para tornar os catalisadores da OTAN mais estáveis?
Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que provavelmente é uma mistura de ambos.
Usando análises eletroquímicas experimentais, espectrometria de massa e modelagem computacional de química quântica, os pesquisadores criaram um “enredo em escala atômica” para explicar como o ozônio é gerado nos eletrocatalisadores da OTAN.
Pela primeira vez, identificaram que parte do níquel da NATO está provavelmente a ser lixiviado dos eléctrodos através da corrosão, e estes átomos de níquel, agora flutuando na solução perto do catalisador, podem promover reacções químicas que eventualmente geram ozono.
"Se quisermos fazer um eletrocatalisador melhor, precisamos entender quais peças estão funcionando ou não. Fatores como lixiviação de íons metálicos, corrosão e reações em fase de solução podem dar a impressão de que um catalisador está funcionando de uma maneira, quando na verdade está funcionando outra maneira."
Keith observou que identificar a prevalência de corrosão e reações químicas que ocorrem fora do catalisador são passos importantes a serem esclarecidos antes que outros pesquisadores possam buscar melhorias no EOP e em outros processos eletrocatalíticos.
Em sua conclusão, eles observam:“Identificar ou refutar a existência de tais restrições tecnológicas fundamentais será fundamental para quaisquer aplicações futuras de EOP e outros processos avançados de oxidação eletroquímica”.
"Sabemos que o tratamento eletroquímico da água funciona em pequena escala, mas a descoberta de melhores catalisadores irá impulsioná-lo a uma escala global. O próximo passo é encontrar novas combinações atômicas em materiais que sejam mais resistentes à corrosão, mas que também promovam EOP economicamente e sustentávelmente viáveis. ", disse Keith.
