生產成本更低更環保的過氧化氫

由新南威爾士大學領導的澳大利亞研究人員已使用澳大利亞同步加速器來了解先進催化材料的化學結構如何對其穩定性和效率作出貢獻。該方法具有以成本有效的方式生產過氧化氫(H2O2)的潛力，對環境的危害較小。

過氧化氫是一種重要的化學物質，已廣泛用于包括廢水處理，消毒，紙/紙漿漂白，半導體清潔，采礦和金屬加工，燃料電池以及化學合成在內的各種應用中。

根據國際市場研究組織IMARC的數據，2017年全球過氧化氫市場規模為40億美元，并且還在不斷增長。

當前的生產方法依賴于大型化工廠，其中在反應循環中使用氫，大氣中的氧氣和蒽醌衍生物，這是昂貴的，需要高能量消耗并且不環保。

另一種方法是基于酸中氧氣的電化學還原(氧氣還原反應)，可以在環境條件下進行而無有害副產物。

但是，在酸中生產過氧化氫的最先進的催化劑僅限于貴金屬，鉑和鈀。

使用過渡金屬鐵，鎳和鈷的其他嘗試導致結構不穩定和性能不佳。

在發表于《自然通訊》上的這項研究中，研究人員通過用鈷和氮摻雜碳納米管以在基底上形成單原子催化劑來重建材料的表面，以穩定氮配位的金屬中心。

在澳大利亞同步加速器上使用軟X射線進行的實驗有助于闡明并確認該結構如何促進產生過氧化氫所需的電化學反應。

高級儀器科學家Lars Thomsen博士說：“我們使用一種稱為NEXAFS的技術，即近邊緣X射線吸收精細結構光譜學，來研究各種感興趣的元素(鈷，碳和氧)的配位或氧化態。”和合著者。

環氧基團(其中單鍵將一個氧原子連接至兩個相鄰原子)而不是羥基與碳基質上氮配位的鈷鎳中心鍵合，這有助于材料的穩定性及其催化效率。

研究人員報告說，結構導致接近理想的結合能，使氧還原反應可以通過幾乎完整的兩電子轉移途徑進行。

重要的是，所研究的樣品還顯示出創紀錄的過氧化氫生成，并且幾乎超過了先前報道的所有催化劑材料。

湯姆森說：“最重要的考慮因素之一是提供良好的產量和環境效益的能力，以便看到工業的發展。”從事合成綠色鋼生產方法的博士學位的湯姆森說。候選人。

除了解釋環氧基團對過氧化氫生產的增強作用外，該研究還為穩定酸性燃料電池中單原子催化劑的性能提供了見識。

其他X射線實驗是在美國的Advanced Photon Source進行的。

該研究由博士領導。來自UNSW的Rose Amal教授領導的粒子與催化研究實驗室的候選人張慶然。其他合作者包括澳大利亞國立大學和CSIRO。