Ingenieure lösen das Rätsel „Katalyse oder Korrosion“ bei der elektrochemischen Ozonproduktion

Forscher der University of Pittsburgh und der Drexel University in Philadelphia sowie des Brookhaven National Laboratory arbeiten daran, ein mehrteiliges Rätsel zu lösen, um Wasserdesinfektionsbehandlungen nachhaltiger zu machen.

Skalierbare elektrochemische Ozonproduktionstechnologien (EOP) zur Desinfektion von schmutzigem Wasser könnten eines Tages die heute verwendeten zentralen Chloraufbereitungsanlagen ersetzen, sei es in modernen Städten oder abgelegenen Dörfern. Es ist jedoch wenig über EOP auf molekularer Ebene bekannt und darüber, wie die Technologien, die es ermöglichen, effektiv, wirtschaftlich und nachhaltig sein können.

Ihre Forschung „Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production“ wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Katalyse.

Der Hauptautor ist der Drexel-Doktorand Rayan Alaufey. Zu den beitragenden Forschern von Drexel gehören Co-PI Maureen Tang, außerordentliche Professorin für Chemie- und Biotechnik, der Postdoktorand Andrew Lindsay, die Doktorandin Tana Siboonruang und Ezra Wood. außerordentlicher Professor für Chemie; Co-PI John A. Keith, außerordentlicher Professor für Chemie- und Erdöltechnik, und Doktorand Lingyan Zhao von Pitt; und Qin Wu aus Brookhaven.

„Seit dem 19. Jahrhundert verwenden Menschen Chlor zur Trinkwasseraufbereitung, aber heute verstehen wir besser, dass Chlor nicht immer die beste Option ist. EOP kann beispielsweise direkt im Körper Ozon erzeugen, ein Molekül mit ungefähr der gleichen Desinfektionskraft wie Chlor.“ Wasser.

„Im Gegensatz zu Chlor, das stabil im Wasser verbleibt, zerfällt Ozon im Wasser auf natürliche Weise nach etwa 20 Minuten, was bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, Menschen zu schaden, wenn sie das Wasser konsumieren. Leitungswasser, beim Schwimmen im Pool oder beim Reinigen von Wunden im Krankenhaus.“ .” erklärte Keith, der auch Energieforscher bei RK Mellon an der Swanson School of Engineering in Pitt ist.

„EOP zur nachhaltigen Desinfektion wäre in manchen Märkten sehr sinnvoll, aber um dies zu erreichen, braucht man einen ausreichend effizienten Katalysator, und da noch niemand einen ausreichend effizienten EOP-Katalysator gefunden hat, ist EOP für breitere Zwecke zu teuer und zu energieintensiv.“ verwenden.

„Meine Kollegen und ich dachten, wenn wir auf atomarer Ebene entschlüsseln könnten, was einen schlechten EOP-Katalysator zum Funktionieren bringt, könnten wir möglicherweise einen noch besseren EOP-Katalysator entwickeln.“

Die Lösung des Rätsels, wie EOP-Katalysatoren funktionieren, ist von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie einer der vielversprechendsten und am wenigsten toxischen EOP-Katalysatoren, die bisher bekannt sind, besser entwickelt werden kann: Nickel-Antimon-dotiertes Zinnoxid (Ni/Sb–SnO).₂oder NATO).

Darin, sagt Keith, liegt das Rätsel: Welche Rolle spielt jedes einzelne Atom innerhalb der NATO, um die EOP zu unterstützen? Bildet sich Ozon katalytisch, wie wir es wollen, oder entsteht es, weil der Katalysator zusammenbricht, und es muss in Zukunft daran gearbeitet werden, die NATO-Katalysatoren stabiler zu machen?

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass es sich wahrscheinlich um eine Mischung aus beidem handelte.

Mithilfe experimenteller elektrochemischer Analysen, Massenspektrometrie und Computermodellierung der Quantenchemie erstellten die Forscher ein „Szenario im atomaren Maßstab“, um zu erklären, wie Ozon auf den Elektrokatalysatoren der NATO erzeugt wird.

Zum ersten Mal stellten sie fest, dass ein Teil des in der NATO vorhandenen Nickels wahrscheinlich durch Korrosion aus den Elektroden entweicht und dass diese Nickelatome, die jetzt in der Lösung in der Nähe des Katalysators schweben, chemische Reaktionen fördern könnten, die schließlich Ozon erzeugen würden.

„Wenn wir einen besseren Elektrokatalysator herstellen wollen, müssen wir verstehen, welche Teile funktionieren und welche nicht. Faktoren wie Metallionenauswaschung, Korrosion und Reaktionen in der Lösungsphase können dazu führen, dass ein Katalysator im Betrieb in gewisser Weise funktioniert.“ In Wirklichkeit funktioniert es anders.

Keith wies darauf hin, dass die Identifizierung der Prävalenz von Korrosion und chemischen Reaktionen außerhalb des Katalysators ein wichtiger Schritt zur Klärung sei, bevor andere Forscher Verbesserungen bei EOP und anderen elektrokatalytischen Prozessen anstreben können.

In ihrer Schlussfolgerung stellen sie fest: „Die Identifizierung oder Widerlegung der Existenz solch grundlegender technologischer Einschränkungen wird für jede zukünftige Anwendung von EOP und anderen fortschrittlichen elektrochemischen Oxidationsprozessen von wesentlicher Bedeutung sein.“ »

„Wir wissen, dass die elektrochemische Wasseraufbereitung im kleinen Maßstab funktioniert, aber die Entdeckung besserer Katalysatoren wird sie auf globaler Ebene voranbringen. Der nächste Schritt besteht darin, neue Atomkombinationen in korrosionsbeständigeren Materialien zu finden, die aber auch eine wirtschaftliche und wirtschaftliche Entwicklung ermöglichen.“ nachhaltig tragfähiges EOP“, sagte Keith.