Một chất xúc tác quang có thể tạo ra hydro peroxide từ oxy và nước

Một chất xúc tác quang có thể tạo ra hydro peroxide từ oxy và nước

    Một chất xúc tác quang có thể tạo ra hydro peroxide từ oxy và nước

    Sơ đồ đề xuất cho quá trình sản xuất H2O2 trên chất xúc tác quang siêu phân tử SA-TCPP. Ảnh: Zhang và cộng sự

    A photocatalyst that can produce hydrogen peroxide from oxygen and water
    Hydrogen peroxide (H2O2) là một hợp chất lỏng không màu có đặc tính oxy hóa mạnh có thể có nhiều ứng dụng công nghiệp và y tế. Hợp chất này thường được tổng hợp thông qua quy trình antraquinon, trong đó hợp chất antraquinon kết hợp với vật liệu dựa trên palladi xúc tác quá trình oxy hóa dihydrogen (H2) thành H2O2 với O2 từ không khí.

    H2O2 về mặt lý thuyết cũng có thể được tổng hợp thông qua quá trình quang xúc tác, một phản ứng hóa học kéo theo sự hấp thụ ánh sáng của các nguyên tố phản ứng thông qua việc bổ sung chất xúc tác. Tuy nhiên, điều này khó thực hiện một cách đáng tin cậy khi sử dụng các chất xúc tác hiện có, có thể phản ứng yếu với ánh sáng mặt trời, cần thuốc thử hy sinh hoặc không đủ hoạt tính trong quá trình phản ứng.

    Các nhà nghiên cứu tại Đại học Giang Nam và Đại học Thanh Hoa gần đây đã giới thiệu một chất xúc tác quang mới có thể được sử dụng để tạo ra H2O2 một cách đáng tin cậy chỉ từ H2O và O2 thông qua quá trình quang xúc tác. Chất xúc tác quang này, được trình bày trong một bài báo trên Nature Energy, dựa trên tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin tự lắp ráp, một hợp chất đôi khi được sử dụng để phân tích hoặc loại bỏ kim loại.

    "Việc sản xuất H2O2 bằng quang xúc tác chỉ cần H2O, O2 và ánh sáng mặt trời, đây được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho phương pháp antraquinone công nghiệp", Chengsi Pan, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Tech Xplore. "Tuy nhiên, do năng lượng tự do Gibbs cao là 117 kJ mol−1, hầu hết các hệ thống xúc tác quang đều yêu cầu thuốc thử hy sinh (ví dụ: EtOH, IPA) để tạo ra lượng H2O2 đáng kể. Nhóm của chúng tôi đã làm việc từ năm 2018 để phát triển một chất xúc tác quang có thể liên tục tạo ra H2O2 không có thuốc thử hy sinh."

    Trong một trong những nghiên cứu trước đây của họ, Pan và các đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm tiềm năng của bismuth phốt phát (BiPO4) làm chất xúc tác quang để sản xuất H2O2. Mặc dù kết quả của họ rất hứa hẹn, nhưng họ nhận thấy rằng BiPO4 chỉ phản ứng với tia UV, điều này đã hạn chế việc sử dụng nó và ngăn cản các ứng dụng dựa trên năng lượng mặt trời. Trong nghiên cứu mới của mình, do đó, họ bắt đầu đánh giá một chất xúc tác quang khác, chất này dựa trên siêu phân tử porphyrin có khe hở dải hẹp (4-carboxyphenyl) porphyrin (TCPP).

    Pan giải thích: “Chúng tôi đã sử dụng một tấm nano tetrakis(4-carboxyphenyl)porphyrin (SA-TCPP) tự lắp ráp để đạt được hoạt động mong muốn. "Vật liệu này được điều chế bằng cách hòa tan TCPP số lượng lớn thương mại trong NaOH và sau đó thêm HCl. Đối với các thí nghiệm tạo H2O2, một lượng SA-TCPP nhất định đã được thêm vào một chai thủy tinh chỉ chứa nước và O2 sủi bọt."

    Để đánh giá hoạt động của chất xúc tác quang của họ, Pan và các đồng nghiệp đã chiếu xạ chai thủy tinh bằng dung dịch ở khối lượng không khí 1,5 phổ (AM 1,5G) bằng thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời, sau đó nung nóng nó ở nhiệt độ cao 353 K. Trong các thử nghiệm ban đầu , chất xúc tác quang SA-TCPP thể hiện hiệu suất lượng tử bước sóng cận hồng ngoại là 1,1% ở 940nm và hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa học cao khoảng. 1,2%.

    "Được khuyến khích bởi những kết quả này, chúng tôi đã đánh giá các chất xúc tác quang trong lò phản ứng dòng chảy do phòng thí nghiệm tạo ra, dẫn đến nồng độ tích tụ H2O2 là khoảng 1,1% trọng lượng, mức gần với mức thương mại (3% trọng lượng), đây là ví dụ đầu tiên tạo ra mức H2O2 thương mại thông qua phương pháp xúc tác quang," Pan nói.

    "Sau đó, chúng tôi cũng phát hiện ra rằng SA-TCPP có thể thực hiện quá trình tạo H2O2 thông qua con đường kép khử O2 và oxy hóa H2O, một đặc điểm độc đáo so với hầu hết các chất xúc tác quang được báo cáo trước đây. Đáng chú ý, chúng tôi quan sát thấy rằng việc đưa -COOH vào có thể hỗ trợ con đường oxy hóa H2O bằng cách chuyển đổi thành nhóm -CO3H, sau đó trải qua quá trình thủy phân nhiệt."

    Kết quả của các thử nghiệm ban đầu do nhóm các nhà nghiên cứu này thực hiện rất hứa hẹn, làm nổi bật giá trị của chất xúc tác quang được đề xuất để sản xuất H2O2 trên quy mô lớn sử dụng ánh sáng mặt trời. Trong tương lai, công việc của họ có thể cung cấp thông tin cho việc thiết kế các chất xúc tác quang hữu cơ khác có thể đạt được hiệu suất năng lượng mặt trời cao hơn nữa, cho phép tạo ra H2O2 không hy sinh.

    Pan cho biết thêm: “Chúng tôi hiện có kế hoạch khám phá hai lĩnh vực tiềm năng cho công việc trong tương lai: tích hợp chất xúc tác quang của chúng tôi với vật liệu chuyển đổi quang nhiệt và thiết kế lại lò phản ứng để đạt được sản lượng tăng ngoài quy mô băng ghế dự bị”.

    "Bằng cách kết hợp chất xúc tác quang của chúng tôi với các vật liệu chuyển đổi quang nhiệt, chúng tôi có thể tăng nhiệt độ cục bộ của nó chỉ thông qua chiếu xạ ánh sáng, giảm nhu cầu sử dụng các nguồn nhiệt bên ngoài như đã báo cáo trong bài báo hiện tại của chúng tôi. Ngoài ra, chúng tôi mong muốn phát triển một thiết bị nguyên mẫu có thể mở rộng quy mô để sản xuất H2O2 với SA -TCPP chỉ sử dụng không khí, H2O và ánh sáng mặt trời bằng cách tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng và các thông số phản ứng."

    Zalo
    Hotline