Kỹ thuật mới được phát triển để sản xuất hydro peroxide mà không thải ra carbon dioxide
Đồ họa: Giao diện và Tài liệu Ứng dụng ACS (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c14872
Một nghiên cứu được công bố trên ACS Applied Materials & Interfaces mô tả một phương pháp mới để sản xuất hydro peroxide (H2O2) mà không thải ra carbon dioxide (CO2), một trong những khí nhà kính chính và là một trong những hóa chất được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới.
Hydrogen peroxide được sử dụng để tẩy trắng vải, bột giấy và giấy, đồng thời làm trắng răng. Nó cũng được sử dụng làm nhiên liệu đẩy để kiểm soát độ cao của vệ tinh và làm chất khử trùng hoặc khử trùng của các bệnh viện. Khoảng 2 triệu tấn hợp chất này được sản xuất hàng năm.
Ivo Freitas Teixeira, giáo sư hóa học tại Đại học Liên bang São Carlos, cho biết: "Để hiểu được tác động của những phát hiện của chúng tôi, điều quan trọng trước hết là phải ghi nhớ tầm quan trọng của H2O2 trong ngành hóa chất và cách thức sản xuất nó hiện nay". (UFSCar) ở bang São Paulo, Brazil. Anh ấy có bằng tiến sĩ. về hóa học vô cơ của Đại học São Paulo (USP) và là Nghiên cứu sinh Humboldt tại Viện Chất keo và Giao diện Max Planck ở Potsdam, Đức, từ năm 2019 đến năm 2021.
"Tất cả lượng peroxide này được tạo ra bởi một quy trình liên quan đến antraquinone [một hợp chất có nguồn gốc từ quá trình thủy phân anthracene, một chất độc hại]. Trong quy trình này, anthraquinone bị khử và sau đó bị oxy hóa để tạo ra H2O2. Hạn chế của phương pháp này là chi phí cao antraquinone và việc sử dụng các kim loại quý như Pd [palađi] và H2 [hydro] làm chất khử. Hydro này được tạo ra từ quá trình tái tạo hơi nước-mêtan, liên quan đến nhiệt độ cao và giải phóng CO2, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu," ông nói.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sản xuất peroxide từ oxy (O2) bằng cách sử dụng xúc tác quang để hướng dẫn quy trình. Trong quang xúc tác, các chất xúc tác (chất đẩy nhanh phản ứng hóa học) được kích hoạt bằng ánh sáng khả kiến thay vì nhiệt độ hoặc áp suất cao. Một ưu điểm khác của phương pháp của họ là sử dụng carbon nitride làm chất xúc tác quang.
Vật liệu này chỉ bao gồm carbon và nitơ, cả hai đều có nhiều trong vỏ Trái đất và có thể được kích hoạt trong vùng khả kiến, tương ứng với khoảng 45% quang phổ mặt trời. Do đó, có khả năng là ánh sáng mặt trời có thể được sử dụng thay cho ánh sáng nhân tạo, giúp quá trình này tiết kiệm chi phí hơn.
Sau khi thử nghiệm các điều kiện phản ứng khác nhau, các nhà nghiên cứu đã đạt được một hệ thống có tốc độ sản xuất H2O2 xuất sắc. Teixeira giải thích: "Chúng tôi đã đạt được mức giảm O2 thông qua lộ trình quang xúc tác trong đó nguồn hydro là nước trong môi trường phản ứng hoặc thuốc thử hy sinh, điển hình là glycerol, một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất dầu diesel sinh học".
Trong hệ thống này, carbon nitride được sử dụng làm chất bán dẫn để phân tách các điện tích khi tiếp xúc với ánh sáng, thúc đẩy các phản ứng khử và oxy hóa. O2 bị khử thành H2O2 và chất phản ứng hy sinh (glycerol) bị oxy hóa. H2O2 thu được mà không cần sử dụng H2 và do đó không thải ra khí CO2.
"Con đường chúng tôi phải đi trong cuộc điều tra của mình cho đến khi đạt được kết quả được mô tả trong bài báo đã xuất bản là một chặng đường dài vì chúng tôi phát hiện ra rằng đồng thời H2O2 được tạo ra trên bề mặt của chất xúc tác quang, nó cũng có thể bị phân hủy, " Teixeira nói.
"Chúng tôi đã phải thực hiện một số thử nghiệm và tiếp tục sửa đổi chất xúc tác quang để thúc đẩy quá trình hình thành H2O2 và tránh sự phân hủy của nó. Việc hiểu cơ chế nhờ đó H2O 2 phân hủy trên bề mặt carbon nitride là vô cùng quan trọng để cho phép chúng tôi phát triển chất xúc tác quang lý tưởng cho phản ứng này."
