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“有缺陷的”碳简化了过氧化氢的产生,等离子处理可修改炭黑粉末,以催化有价值的化学物质
2021年05月01日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

赖斯大学的研究人员创造了一种“有缺陷的”催化剂,可简化氧气中过氧化氢的产生。


“有缺陷的”碳简化了过氧化氢的产生,等离子处理可修改炭黑粉末,以催化有价值的化学物质 中国化工网,okmart.com


赖斯大学的科学家用氧等离子体处理了无金属的炭黑,这是一种廉价的石油生产粉状产品。该工艺将缺陷和含氧基团引入碳颗粒的结构中,从而暴露出更大的相互作用表面积中国化工网okmart.com


当用作催化剂时,称为CB-等离子的有缺陷颗粒将氧气还原为过氧化氢,其法拉第效率为100%,这是电化学反应中电荷转移的一种量度。研究人员表示,该工艺有望取代复杂的基于蒽醌的生产方法,该方法需要昂贵的催化剂,并产生有毒的有机副产物和大量废水。


赖斯化学家詹姆斯·图尔(James Tour)和材料理论家鲍里斯·雅各布森(Boris Yakobson)的研究发表在美国化学学会的《ACS催化》杂志上。


过氧化氢被广泛用作消毒剂以及废水处理,造纸和纸浆工业以及化学氧化。Tour预计,新工艺将影响过氧化氢催化剂的设计。


托尔说:“这里概述的电化学过程不需要金属催化剂,这将降低成本,并使整个过程简单得多。” “正确设计碳结构可以提供合适的活性位点,以减少氧分子同时保持OO键,因此过氧化氢是唯一的产物。此外,无金属设计有助于防止过氧化氢的分解。”


等离子体处理会在炭黑颗粒中产生缺陷,这些缺陷会在材料的原子晶格中以五元或七元环的形式出现。该过程有时会去除足够多的原子以在晶格中创建空位。


该催化剂的工作原理是从氧气中抽出两个电子,使其与两个氢电子结合生成过氧化氢。(通过四个电子还原氧气,这是燃料电池中使用的一种工艺,会产生水作为副产物。)


雅各布森说:“对过氧化物而不是水的选择性本身并非来自炭黑,而是(主要作者和莱斯大学的研究生)李钦坤的计算结果表明,它是由等离子体处理产生的特定缺陷引起的。” 这些催化缺陷位点有利于关键中间体的键结,以形成过氧化物,降低了反应壁垒并加速了理想的结果。”


Tour的实验室还用紫外线臭氧处理了炭黑,并用氩气将氧气还原后去除了大多数含氧基团,然后对CB-等离子体进行了处理。据实验室报道,CB-UV的催化性能并不比普通炭黑好,但是CB-Argon的性能与CB-Plasma一样好,电化学势的范围更广。


由于高温下CB-等离子暴露于氩气中会除去大部分氧基团,因此实验室推断出碳缺陷本身是催化还原为过氧化氢的原因。


工艺的简单性可以使有价值的化学品更多地在本地产生,从而减少了从集中式工厂运输化学品的需求。Tour指出,CB-Plasma与目前用于产生过氧化氢的最新材料的效率相匹配。


Tour说:“按比例缩放此过程比现在的方法容易得多,而且非常简单,甚至可以使用很小的单元在需要的位置产生过氧化氢。”


赖斯最近几个月采用了第二种工艺,以提高过氧化氢的生产效率。水稻化学和生物分子工程师王浩天及其实验室开发了一种氧化碳纳米粒子基催化剂,该催化剂可从阳光,空气和水中产生化学物质。


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