Ein hochaktiver und selektiver molekularer Katalysator und eine elektrifizierte Membran

Manche Chemikalien verursachen Umweltprobleme, andere können glücklicherweise zu ihrer Beseitigung beitragen. Chemiker der Yale University und ihre Kollegen haben einen elektrochemischen Katalysator und eine Membran entwickelt, die eine effiziente und nachhaltige Methode zur Behandlung von mit Trichlorethylen (TCE), einem weit verbreiteten und hartnäckigen Umweltschadstoff, verunreinigtem Wasser bieten. Ihre Erkenntnisse unterstreichen das Potenzial moderner elektrochemischer Behandlungen bei der Umweltsanierung und öffnen die Tür für weitere Innovationen auf diesem Gebiet.

Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht in Kohlenstoff-Zukunft.

TCE ist ein gängiges industrielles Lösungs- oder Reinigungsmittel, das in Kühlmitteln, in der Trockenreinigung sowie zum Entfetten von Metall und Elektronik verwendet wird. Die toxischen Eigenschaften von TCE können jedoch mehrere Organe schädigen und Krebs verursachen. Wasserverunreinigungen durch TCE sind keine Seltenheit.

Obwohl die Biosanierung eine der ersten Methoden zur Bekämpfung der TCE-Verschmutzung war, ist sie oft langsam und erzeugt Nebenprodukte, die noch giftiger sind. Die chemische Sanierung ist schneller und effizienter, erfordert jedoch oft starke Chemikalien und zersetzt TCE nicht vollständig. Daher erweist sich die elektrochemische Behandlung, bei der elektrische Ströme zum Zersetzen von Schadstoffen verwendet werden, als effektivere und nachhaltigere Lösung zur TCE-Sanierung.

„Elektrochemische Methoden haben sich bei der Behandlung von mit chlorierten flüchtigen organischen Verbindungen verunreinigtem Wasser als vielversprechend erwiesen, aber die effiziente Entfernung und Wiederverwendung von TCE war aufgrund des Mangels an wirksamen Katalysatoren eine Herausforderung“, sagte Hailiang Wang, Professor am Department of Chemistry and Energy Sciences Institute der Yale University und leitender korrespondierender Autor dieser Studie.

Als Reaktion auf diesen Bedarf entwickelte das Forschungsteam einen Katalysator aus Kobaltphthalocyanin-Molekülen (CoPc), die auf mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) montiert sind. Dieser Katalysator baut TCE mit Rekordgeschwindigkeit ab und wandelt es mit nahezu 100 % Faradayscher Effizienz in Ethylen- und Chloridionen um. Das bedeutet, dass fast der gesamte elektrische Strom zur Umwandlung von TCE in harmlose Produkte verwendet wird, ohne dass schädliche Nebenprodukte entstehen, was ihn für praktische Anwendungen vielversprechend macht.

„Der Schlüssel zu unserem Erfolg ist der erste Elektronentransferschritt, an dem keine Protonen beteiligt sind, und die Einzelstellennatur unseres Katalysators“, sagte Yuanzuo Gao, ein Doktorand in Wangs Gruppe und Erstautor dieser Studie. „Dies hat uns geholfen, die Wasserstoffentwicklungsreaktion zu vermeiden und so die TCE-Entchlorung zu fördern.“

Bei der Wasserstoffentwicklungsreaktion handelt es sich um eine Nebenreaktion, bei der Elektronen verbraucht werden, die andernfalls zum Abbau von Schadstoffen genutzt werden könnten, wodurch die Effizienz des Prozesses verringert wird.

Um die praktische Anwendung dieses Katalysators zu verbessern, integrierte das Team CoPc-Moleküle in eine elektrifizierte Membran aus reduziertem Graphenoxid (rGO), einer modifizierten Form von Graphen, die für ihre Festigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre hohe Leitfähigkeit bekannt ist. Dieses Membranfiltrationsgerät erreichte eine 95-prozentige Entfernung von TCE aus simulierten Wasserproben, die die tatsächlichen Bedingungen der Wasseraufbereitung nachahmen, was einen bedeutenden Fortschritt in der praktischen Anwendung der Technologie darstellt.

Diese Studie unterstreicht das Potenzial fortschrittlicher elektrochemischer Methoden zur Bewältigung komplexer Umweltprobleme und zur Förderung von Fortschritten bei der Wasseraufbereitung und der industriellen Schadstoffbekämpfung.

„Durch die Kombination von CoPc-Molekülen mit CNT- und rGO-Trägern haben wir hochselektive und aktive Elektrokatalysatoren zur Behandlung von TCE in Wasser geschaffen“, sagte Gao.