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.
Сокращение выбросов дихлорметана поможет сохранить озоновый слой над тропиками

Дихлорметан используют для изготовления кофе без кофеина

Климатологи смоделировали влияние короткоживущих галогенсодержащих веществ на разрушение озонового слоя в тропиках. В результате выяснилось, что антропогенные и природные выбросы этих веществ ответственны за четверть от всего разрушенного за последние 20 лет тропического озонового слоя. И чтобы уменьшить скорость его разрушения, достаточно резко сократить антропогенные выбросы дихлорметана — пишут авторы статьи в Nature Climate Change. 40 лет назад ученые обнаружили над Антарктидой дыру в озоновом слое. Впоследствии оказалось, что возникла она из-за антропогенных выбросов галогенсодержащих органических веществ в атмосферу. В результате в 1985 году была согласована Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 году подготовлен к подписанию Монреальский протокол — дополнение к конвенции, в котором были перечислены конкретные вещества, чьи выбросы нужно было сократить. Большинство вошедших в список веществ были простыми фтор- и хлорсодержащими углеводородами. Эти вещества очень устойчивы — их время жизни в атмосфере исчисляется десятками и сотнями лет. И когда они достигают стратосферы, они выделяют свободные галогены, которые и разрушают озоновый слой. Но благодаря Монреальскому протоколу, озоновый слой удалось сохранить, и сейчас над Антарктидой он постепенно восстанавливается. Но концентрация озона в нижней стратосфере тропических широт все равно постепенно уменьшается. И до сих пор ученые связывали это с изменениями в циркуляции воздушных масс, возникшими из-за выбросов парниковых газов. Но климатологи под руководством Альфонсо Сайс-Лопеса (Alfonso Saiz-Lopez) из Института физической химии «Рокасолано» обнаружили, что эти изменения — не единственная причина уменьшения озонового слоя над тропиками. С помощью компьютерного моделирования с использованием CESM они обнаружили, что около четверти уменьшения концентрации озона вызвано короткоживущими галогенсодержащими веществами, некоторые из которых попадают в атмосферу из-за деятельности химических производств. Одно из этих веществ — дихлорметан — очень популярный органический растворитель. Его используют, например, для экстракции кофеина при изготовлении декофеинизированного кофе. Как показало моделирование изменений в тропической стратосфере, в ближайшие несколько лет антропогенные выбросы хлорсодержащих веществ будут играть все большую роль в разрушении озонового слоя. И к концу XXI века они будут ответственны за 30 процентов всей потерянной концентрации озона. Поэтому авторы статьи пришли к выводу, что деятельность человека, приводящую к выбросам короткоживущих органических веществ, нужно контролировать. И хотя озоновый слой над тропиками все равно продолжит уменьшаться из-за выбросов парниковых газов, меры по контролю позволят значительно замедлить этот процесс. Ранее мы рассказывали о том, что озоновый слой над Антарктидой может временно уменьшиться из-за недавнего извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. А подробно прочитать про историю Монреальского протокола можно в нашем материале «Дыра, которую мы залатаем‎».