Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Твердый электролит помог напрямую синтезировать перекись водорода

Американские химики разработали систему прямого электрохимического синтеза раствора пероксида водорода концентрацией до 20 процентов из водорода и кислорода. С помощью электрохимической ячейки из платиноуглеродного анода, катода из технического углерода и твердого электролита между ними авторам статьи, опубликованной в Science, удалось раздельно окислить водород и восстановить кислород, после чего в потоке воды ионы в твердом электролите образовывали пероксид водорода. Полученный раствор оказался достаточной чистоты, чтобы использовать его непосредственно из устройства.

На сегодняшний день в мире пероксид водорода в основном производят непрямым и весьма энергозатратным антрахиноновым методом. Технология включает множество дорогостоящих стадий очистки и дистилляции, необходимых, чтобы получить растворы приемлемой для продажи концентраций. Более того, пероксид водорода очень нестабилен и может взрываться, что делает его опасным для хранения и перевозки.

Многие исследователи пытаются создать технологии прямого синтеза перекиси из кислорода и водорода. Ранее уже даже разработали подобный метод для эффективного производства в промышленных масштабах, однако смесь этих газов, которая должна находиться под большим давлением, может самопроизвольно воспламеняться и взрываться.

Чуань Ся (Chuan Xia) с коллегами из Университета Райса предложили разделить потоки газов, окислять водород до протонов, восстанавливать кислород до HO2- в присутствии воды, и только затем объединять потоки в порах твердого электролита, способном пропускать ионы, в результате чего образовывался раствор пероксида водорода.

В качестве материала анода авторы выбрали высокоэффективный и селективный платиноуглеродный катализатор, а для восстановления кислорода на катоде использовали дешевый, но эффективный технический углерод, окисленный азотной кислотой.

Катод оказался достаточно селективным, чтобы обеспечить восстановление только кислорода, молекулярный водород на этом электроде не образовывался. Все из опробованных неорганических и органических твердых электролитов оказались по эффективности сравнимыми с привычными водными растворами электролитов.

Регулируя скорость образования анионов HO2- или потока воды, авторы получали чистые растворы пероксида с концентрациями от сотен ppm (миллионных долей) до двадцати весовых процентов. Однако повышая желаемую концентрацию, уменьшалась селективность восстановления кислорода. По словам авторов, это произошло из-за смещения химического равновесия, системе стало энергетически выгоднее образовывать воду.

Устройство смогло проработать без остановки 100 часов, в течение всего времени ни селективность, ни активность катализаторов не ухудшалась. Помимо долговечности, оно оказалось и малозатратным по энергии. Всего 0,61 вольт понадобилось, чтобы обеспечить производство 130 грамм пероксида на один грамм катализатора в час. А концентрации веществ, которые могли попасть в раствор из материалов устройства (железо, натрий, сера, платина) оказались достаточно низкими, чтобы полученную перекись можно было сразу использовать, без очистки.

Для удешевления процесса, авторы предложили получать протоны не из чистого водорода, а окислением воды, и подавать на катод воздух, а не чистый кислород. Для работы такой системы пришлось приложить бóльшее напряжение (почти три вольта), но селективность образования перекиси сохранилась, с образованием потока почти 85 граммов перекиси на грамм катализатора в час.

Чтобы продемонстрировать применимость устройства, авторы очистили перекисью дождевую воду от органических веществ до концентраций, установленных нормами. По словам исследователей, очищать воду этим методом намного безопасней чем хлором, так как при хлорировании могут образовываться токсичные вещества.

Недавно ученые обнаружили, что пероксид водорода может образовываться самопроизвольно на поверхности мелких капель воды.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.