Вчені розгадують електрохімічну таємницю «каталіз проти корозії»

Дослідники з Університету Піттсбурга, Університету Дрекселя у Філадельфії та Брукхейвенської національної лабораторії співпрацюють, щоб розкрити складну таємницю, спрямовану на те, щоб зробити процедури дезінфекції води більш стійкими.

Масштабовані технології виробництва електрохімічного озону (EOP) для дезінфекції брудної води можуть колись замінити централізовану обробку хлором, яка використовується сьогодні, чи то в сучасних містах, чи у віддалених селах. Однак мало що розуміють про EOP на молекулярному рівні та про те, як технології, які роблять це можливим, можна зробити ефективними, економними та стійкими.

Їхнє дослідження нещодавно було опубліковано в журналі ACS Catalysis . Провідним автором є аспірант Drexel Раян Алауфей, а також дослідники з Drexel, у тому числі спів-PI Морін Танг, доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії, докторант Ендрю Ліндсей, докторант Тана Сібунруанг та Езра Вуд, доцент хімії; співавтор Джон А. Кіт, доцент кафедри хімічної та нафтової інженерії та аспірант Лін’янь Чжао з Пітта; і Цінь Ву з Брукхейвена.

Переваги озону над хлором

«Люди використовували хлор для очищення питної води з 19 століття, але сьогодні ми краще розуміємо, що хлор не завжди може бути найкращим варіантом. EOP, наприклад, може генерувати озон, молекулу з приблизно такою ж дезінфікуючою дією, як хлор, безпосередньо у воді. На відміну від хлору, який стабільно зберігається у воді, озон у воді природним чином розкладається приблизно через 20 хвилин, що означає меншу ймовірність заподіяння шкоди людям під час споживання води з-під крана, під час плавання в басейні або під час очищення ран у лікарні», – пояснили. Кіт, який також є науковим співробітником кафедри енергетики імені Р. К. Меллона в Інженерній школі Пітта Суонсона.

«EOP для стійкої дезінфекції мав би великий сенс на деяких ринках, але для цього потрібен достатньо хороший каталізатор, і оскільки ніхто ще не знайшов достатньо хорошого каталізатора EOP, EOP є занадто дорогим і енергоємним для більш широкого використання. Ми з колегами подумали, що якщо ми зможемо розшифрувати на атомному рівні те, що змушує працювати посередній каталізатор EOP, можливо, ми зможемо створити ще кращий каталізатор EOP».

Дослідження ефективності каталізаторів НАТО

Розгадка таємниці роботи каталізаторів EOP має вирішальне значення для розуміння того, як краще розробити один із найперспективніших і найменш токсичних каталізаторів EOP, відомих на сьогодні: легований нікелем і сурмою оксид олова (Ni/Sb–SnO2 або НАТО).

У цьому, сказав Кейт, криється головоломка: що роль кожного атома в НАТО робить, щоб допомогти EOP? Чи озон утворюється каталітично так, як ми цього хочемо, чи він утворюється через те, що каталізатор розкладається, і в майбутньому необхідно виконати роботу, щоб зробити каталізатори НАТО більш стабільними?

Дивно, але дослідники виявили, що це, ймовірно, суміш обох. Використовуючи експериментальний електрохімічний аналіз, мас-спектрометрію та комп’ютерне квантово-хімічне моделювання, дослідники створили «історію в атомному масштабі», щоб пояснити, як озон генерується на електрокаталізаторах НАТО. Вперше вони виявили, що частина нікелю в НАТО, ймовірно, вимивається з електродів через корозію, і ці атоми нікелю, які зараз плавають у розчині біля каталізатора, можуть сприяти хімічним реакціям, які зрештою утворюють озон.

«Якщо ми хочемо зробити кращий електрокаталізатор, нам потрібно зрозуміти, які частини працюють, а які не працюють. Такі фактори, як вимивання іонів металу, корозія та фазові реакції розчину, можуть створювати враження, що каталізатор працює в один бік, хоча насправді він працює в інший спосіб».

Кіт зазначив, що виявлення поширеності корозії та хімічних реакцій, що відбуваються поза каталізатором, є важливими кроками, які необхідно прояснити, перш ніж інші дослідники зможуть вдосконалити EOP та інші електрокаталітичні процеси. У своєму висновку вони зазначають, що «виявлення або спростування існування таких фундаментальних технологічних обмежень буде критично важливим для будь-яких майбутніх застосувань EOP та інших передових процесів електрохімічного окислення».

«Ми знаємо, що електрохімічне очищення води працює в невеликих масштабах, але відкриття кращих каталізаторів підніме її до глобального масштабу. Наступним кроком є ​​пошук нових атомних комбінацій у матеріалах, які є більш стійкими до корозії, але також сприяють економічно та стійко життєздатному EOP», — сказав Кейт.