Avanço do eletrocatalisador para produção eficiente de H2O2 e atualização de biomassa

Nova abordagem desenvolvida para produção eletrocatalítica de H2O2 e atualização de biomassa. Crédito: Hui Xu

Cientistas chineses criaram um novo eletrocatalisador com átomos de Fe coordenados por oxigênio, melhorando significativamente a produção de H2O2 e a atualização da biomassa. Este catalisador marca um passo significativo na síntese química sustentável.

Cientistas dos Institutos de Ciências Físicas de Hefei (HFIPS) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) sintetizaram átomos únicos de Fe coordenados por oxigênio e átomo catalisador de clusters, manifestando desempenho eletrocatalítico superior em relação ao H₂Ó₂ produção e atualização de biomassa.

O significado do H2O2 e da eletrocatálise

Peróxido de hidrogênio (H₂Ó₂) é um produto químico amplamente utilizado com aplicações em diversos campos, como meio ambiente, energia e saúde. Embora tradicionalmente fabricada através de processos que consomem muita energia, a síntese eletrocatalítica oferece um método mais ecológico e eficiente usando água e oxigênio. No entanto, esta abordagem requer eletrocatalisadores avançados para alto rendimento e H seletivo₂Ó₂ produção, e mais atenção é necessária para a utilização do H gerado₂Ó₂, particularmente em processos de oxidação orgânica eletroquímica. Isto apresenta um potencial significativo para aplicações de valor agregado além da remediação ambiental.

Caracterizações, desempenho de síntese eletroquímica de H2O2 e processo eletro-Fenton acoplado de FeSAs/ACs-BCC. Crédito: Hui Xu

Processo inovador de desenvolvimento de catalisadores

Neste estudo, os cientistas utilizaram celulose bacteriana como regulador de adsorção e fonte de carbono em combinação com uma abordagem de várias etapas envolvendo impregnação química úmida, pirólise e ácido-processos de gravação para criar um catalisador denominado FeSAs/ACs-BCC, consistindo em átomos únicos de Fe coordenados com oxigênio e aglomerados de átomos. A presença de átomos individuais e aglomerados de Fe foi confirmada usando técnicas avançadas de imagem, como microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração. Além disso, a estrutura atômica do Fe foi determinada usando espectroscopia de absorção de estrutura fina de raios X e espectroscopia de fotoelétrons de raios X.

Desempenho excepcional em eletrocatálise

Este catalisador demonstrou excelente desempenho eletrocatalítico e seletividade para a reação de redução de oxigênio com 2 elétrons (2e^– ORR) sob condições alcalinas. Outras experiências com células H confirmaram o acúmulo de H₂Ó₂ no eletrólito.

Inovações na atualização de biomassa

Os pesquisadores acoplados com sucesso o H gerado in situ₂Ó₂ com o processo eletro-Fenton usando etilenoglicol como reagente e Na acidificado 0,1M₂ENTÃO₄ como o eletrólito. Isto levou a uma alta taxa de conversão de etilenoglicol e alta seletividade para ácido fórmico, mostrando que o processo eletro-Fenton tem potencial para melhorar as matérias-primas derivadas de biomassa através da atualização oxidativa.

Além disso, eles desenvolveram uma célula de fluxo trifásica baseada no eletrodo de difusão de gás para aumentar ainda mais o H₂Ó₂ colheita.

Insights da Teoria do Funcional da Densidade

As análises da teoria do funcional da densidade indicaram que os locais cataliticamente ativos reais no 2e^– O processo ORR foram os aglomerados de Fe, e a interação eletrônica entre os átomos individuais de Fe e os aglomerados de Fe poderia melhorar significativamente o desempenho eletrocatalítico em direção a 2e^– ORR.

Implicações para o futuro projeto de catalisadores

Este estudo é fundamental para o projeto e desenvolvimento de eletrocatalisadores de nível atômico. Esses catalisadores são essenciais para 2e de alta eficiência^– ORR para H₂Ó₂ e atualização de biomassa.

Referência: “Estrutura eletrônica reguladora de ferro atomicamente disperso de aglomerados de átomos de ferro para produção eletrocatalítica de H2O2 e atualização de biomassa” por Hui Xu, Shengbo Zhang, Xinyuan Zhang, Min Xu, Miaomiao Han, Li Rong Zheng, Yunxia Zhang, Guozhong Wang, Haimin Zhang e Huijun Zhao, 09 de novembro de 2023, Edição Internacional de Química Aplicada.
DOI: 10.1002/anie.202314414