Wasserstoffperoxid (H2O2) ist eine industriell wichtige Chemikalie mit vielseitigen Anwendungen. Die traditionelle Methode zur Herstellung von H2O2 ist jedoch energieintensiv und erzeugt erhebliche Emissionen.
Um eine nachhaltige Entwicklung zu erreichen, haben Wissenschaftler versucht, H2O2 elektrochemisch zu synthetisieren. Dies kann über die durch einen einzigen Kobalt-Stickstoff-Kohlenstoff (Co-NC)-Katalysator katalysierten Sauerstoffreduktionsreaktionen erfolgen. Aber das Maßschneidern der genauen atomaren Struktur des Katalysators war ein Kampf.
Nun hat eine internationale Forschergruppe theoretisch einen Co-NC-Katalysator mit einzigartigen Strukturen für die leistungsstarke elektrochemische H2O2-Synthese entworfen. Die Gruppe verifizierte ihre Vorhersage erfolgreich, nachdem sie die Synthese experimentell durchgeführt, ihre Charakterisierung analysiert und katalytische Tests durchgeführt hatte.
Details ihrer Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften.
„Bisher wurde die Suche nach einem Katalysator auf der Grundlage umfassender Trial-and-Error-Experimente durchgeführt“, sagt Hao Li, außerordentlicher Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Universität Tohoku und korrespondierender Autor der Veröffentlichung. „Unsere Entdeckung hat gezeigt, dass theoriegeleitete Forschung präzise Designrichtlinien für katalytische Experimente liefern kann, wodurch Zeit, Geld und Personal gespart werden.“
Die Gruppe bestand aus Forschern aus Japan, Australien, Kanada und China. Insbesondere Li und sein Kollege und korrespondierender Autor Li Wei erhielten Unterstützung von der University of Sydney im Rahmen des internationalen SDG-Collaboration-Programms, einem Programm, das die internationale Zusammenarbeit in SDG-bezogener Forschung zwischen der University of Sydney und anderen Universitäten fördert.
Um dem Stolperstein von H2O2 zu begegnen, konstruierten die Forscher einen heterogenen molekularen Katalysator aus Kobalt-Porphyrinen, die auf einem Kohlenstoff-Nanoröhren-Substrat absorbiert sind. Ihre anfänglichen Berechnungen legten nahe, dass Porphyrin-β-Substituenten und das Kohlenstoffsubstrat die Co-Eigenschaften und die katalytische Aktivität synergistisch modulieren könnten.
Sie sagten ferner die Optimalität eines Octafluor-substituierten Katalysators voraus und validierten ihre Vorhersagen durch Experimente, wobei er eine H2O2-Selektivität von >94 % und eine hohe Umsatzfrequenz von 3,51 pro Sekunde bei einer Überspannung von 200 Millivolt in einem Säureelektrolyten aufwies. Darüber hinaus erreichte es in einem Zwei-Elektroden-Elektrolyseur eine maximale H2O2-Produktivität von 10,76 molH2O2 gcat−1h−1 und lieferte reine H2O2-Lösungen, die direkt für die Wasseraufbereitung und die chemische Produktion verwendet werden können.
Mit Blick auf die Zukunft hofft Li, weitere Co-NC-Katalysatoren entwickeln zu können. „Durch die Abstimmung der Art des Metallzentrums und seiner Koordinationsumgebungen sowie durch umfangreiche Leistungs- und Stabilitätstests hoffen wir, mehr Metall-NC für den Einsatz in verschiedenen Elektrokatalysen aufzudecken.“
Mehr Informationen:
Chang Liu et al, Heterogene molekulare Co-N-C-Katalysatoren für eine effiziente elektrochemische H2O2-Synthese, Energie- und Umweltwissenschaften (2022). DOI: 10.1039/D2EE02734H