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

Forscher der University of Pittsburgh und der Drexel University in Philadelphia arbeiten zusammen mit dem Brookhaven National Laboratory daran, ein vielschichtiges Rätsel zu lösen, um Wasserdesinfektionsbehandlungen nachhaltiger zu machen.

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

Ihre Forschung zum Thema „Wechselwirkung zwischen Katalysatorkorrosion und homogenen reaktiven Sauerstoffspezies bei der elektrochemischen Ozonproduktion“ lautete veröffentlicht kürzlich in der Zeitschrift ACS-Katalyse.

Der Hauptautor ist Drexel Ph.D. Student Rayan Alaufey, mit beitragenden Forschern von Drexel, darunter Co-PI Maureen Tang, außerordentliche Professorin für Chemie- und Biotechnik, Postdoktorand Andrew Lindsay, Ph.D. Studentin Tana Siboonruang und Ezra Wood, außerordentliche Professorin für Chemie; Co-PI John A. Keith, außerordentlicher Professor für Chemie- und Erdöltechnik, und Doktorand Lingyan Zhao aus Pitt; und Qin Wu aus Brookhaven.

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

„Im Gegensatz zu Chlor, das im Wasser stabil verbleibt, zersetzt sich Ozon im Wasser auf natürliche Weise nach etwa 20 Minuten, was bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, Menschen zu schädigen, wenn es Wasser aus dem Wasserhahn trinkt, im Pool schwimmt oder Wunden in einem Krankenhaus reinigt.“ erklärte Keith, der auch RK Mellon Faculty Fellow in Energy an der Swanson School of Engineering von Pitt ist.

„EOP für eine nachhaltige Desinfektion wäre in manchen Märkten sehr sinnvoll, aber dafür ist ein ausreichend guter Katalysator erforderlich, und weil noch niemand einen ausreichend guten EOP-Katalysator gefunden hat, ist EOP für eine breitere Anwendung zu teuer und energieintensiv.“

„Meine Kollegen und ich dachten, wenn wir auf atomarer Ebene entschlüsseln könnten, was einen mittelmäßigen EOP-Katalysator zum Funktionieren bringt, könnten wir vielleicht 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 konstruiert werden kann: Nickel- und Antimon-dotiertes Zinnoxid (Ni/Sb–SnO2 oder NATO).

Darin, so Keith, liegt das Rätsel: Welche Rolle trägt jedes einzelne Atom in der NATO bei, um EOP zu unterstützen? Wird Ozon katalytisch in der von uns gewünschten Weise gebildet, oder entsteht es, weil sich der Katalysator zersetzt, und es müssen künftige Anstrengungen unternommen werden, um NATO-Katalysatoren stabiler zu machen?

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

Mithilfe experimenteller elektrochemischer Analysen, Massenspektrometrie und rechnergestützter Quantenchemiemodellierung erstellten die Forscher eine „Storyline im atomaren Maßstab“, um zu erklären, wie Ozon auf NATO-Elektrokatalysatoren erzeugt wird.

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

„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 den Anschein erwecken, dass ein Katalysator in eine Richtung funktioniert, obwohl er tatsächlich funktioniert.“ ein anderer Weg.“

Keith wies darauf hin, dass die Ermittlung der Prävalenz von Korrosion und chemischen Reaktionen außerhalb des Katalysators wichtige Schritte seien, die es zu klären gilt, bevor andere Forscher Verbesserungen an 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 alle zukünftigen Anwendungen von EOP und anderen fortschrittlichen elektrochemischen Oxidationsprozessen von entscheidender Bedeutung sein.“

„Wir wissen, dass die elektrochemische Wasseraufbereitung im kleinen Maßstab funktioniert, aber die Entdeckung besserer Katalysatoren wird sie auf globaler Ebene vorantreiben. Der nächste Schritt besteht darin, neue Atomkombinationen in Materialien zu finden, die korrosionsbeständiger sind, aber auch wirtschaftlich und nachhaltig rentables EOP fördern.“ „, sagte Keith.