Νέα

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Πρόσφατα, ο καθηγητής Liu Detao και η ομάδα του από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Νότιας ΚίναςΜια νέα μέθοδος έχει αναπτυχθεί για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της παραγωγής ηλεκτροσυνθετικού υδροϋπεροξειδίου.

Κατά τη διάρκεια της έρευνας, η ερευνητική ομάδα ξεκίνησε από τις μοριακές, νανομετρικές, χιλιοστά και άλλες κλίμακες υλικών, παρέχοντας μια νέα πορεία ανάπτυξης για το σχεδιασμό μιας νέας γενιάς ηλεκτροκαταλυτικών υλικών 2e με βάση τη βιομάζα.

Μετά τη βελτιστοποίηση της μεθόδου παρασκευής ηλεκτροδίων διάχυσης αερίου, η ομάδα διαπίστωσε ότι η απόδοση σύνθεσης του υδροϋπεροξειδίου θα μπορούσε να φτάσει τα 510,58 mg·L -1·cm-2·h-1.

Αυτή η απόδοση είναι δεκάδες φορές υψηλότερη από άλλα τρέχοντα καταλυτικά υλικά με βάση τον άνθρακα βιομάζας και είναι επίσης αρκετές φορές υψηλότερη από την απόδοση των καταλυτικών υλικών με βάση τον άνθρακα του πετρελαίου.

Εικόνα | Φωτογραφία της ερευνητικής ομάδας (πηγή: χάρτης δεδομένων)

Η νανοκυτταρίνη είναι το κύριο αντικείμενο αυτής της μελέτης. Έχει τα πλεονεκτήματα του υψηλού πορώδους και της υψηλής ειδικής επιφάνειας και μπορεί να εφαρμοστεί στην τρισδιάστατη δομή αερογέλης συντονισμένων λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο.

Χρησιμοποιώντας ειδικό συντονισμό μεταλλικών ιόντων στην επιφάνεια της μονοδιάστατης νανοκυτταρίνης και τεχνολογίας ξήρανσης με κατάψυξη, μπορεί να δημιουργηθεί ένα υλικό που ονομάζεται «σκελετός ιμιδαζόλης ζεόλιθου-αφρός νανοκυτταρίνης».

Αυτό το υλικό έχει μια λαμπερή μοβ εμφάνιση και η δομή του είναι σχετικά σταθερή. Μετά από διαδικασίες όπως η ενανθράκωση, το υλικό μπορεί να δημιουργήσει άφθονες ενεργές θέσεις για δέσμευση οξυγόνου.

Εικόνα |. Πλαίσιο ιμιδαζόλης νανοκυτταρίνης-ζεόλιθος-αερογέλης αφρού νανοκυτταρίνης που συντίθεται με συντονισμό κοβαλτίου (Πηγή: Μικρό)

Επιπλέον, μπορεί επίσης να σχηματίσει μια νανοσύνθετη δομή τετροξειδίου του κοβαλτίου, η οποία είναι πολύ ευνοϊκή για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της μετανάστευσης ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί με τη σειρά της να βελτιώσει την απόδοση παραγωγής ηλεκτροσυνθετικού υδροϋπεροξειδίου.

Κατά τη διάρκεια της έρευνας, η ομάδα σχεδίασε επίσης μια συσκευή τεχνολογίας ηλεκτρο-Fenton διπλής καθόδου, η οποία έχει την ικανότητα να συνεργάζεται.Μπορεί να αποσυνθέσει κοινούς οργανικούς ρύπους με υψηλή απόδοση και το ποσοστό απομάκρυνσης φτάνει το 99,43% μέσα σε 30 λεπτά.

Για λύματα υδατοκαλλιέργειας, λύματα βαφής, λύματα χαρτοποιίας και άλλα λύματα, αυτή η τεχνολογία μπορεί επίσης να επιτύχει αποτελεσματικές και ταχείς λειτουργίες απολύμανσης και καθαρισμού.

Ως εκ τούτου, είναι πολλά υποσχόμενο να αντικατασταθεί η υπάρχουσα τεχνολογία δισκίων χημικής απολύμανσης και να διαδραματίσει ρόλο στην απολύμανση καθαρισμού νερού για υγιεινό πόσιμο νερό και φορητό εξωτερικό χώρο.

Σύμφωνα με αναφορές, ως εξαιρετικά σημαντικό πράσινο χημικό, το υδροϋπεροξείδιο έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στους ημιαγωγούς, την ιατρική περίθαλψη, τον περιβαλλοντικό έλεγχο, τα λεπτά χημικά και άλλους τομείς.

Επί του παρόντος, στη βιομηχανική παραγωγή υδροϋπεροξειδίων, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν κυρίως μια μέθοδο που ονομάζεται "μέθοδος ανθρακινόνης".

Έχει προβλήματα όπως υψηλό κόστος, περίπλοκη λειτουργία, ρύπανση του περιβάλλοντος και μη ασφαλή μεταφορά και αποθήκευση, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρήση του σε άγριες και απομακρυσμένες περιοχές.

Χρησιμοποιώντας την ηλεκτροχημική μέθοδο 2e-ORR για τη σύνθεση υδροϋπεροξειδίου, δεν είναι μόνο εύκολο στη λειτουργία και έχει υψηλή απόδοση παραγωγής, αλλά έχει επίσης πολύ καλή ηλεκτροχημική σταθερότητα, η οποία είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για ορισμένες φορητές εφαρμογές.

Ωστόσο, οι περισσότεροι σημερινοί ηλεκτροκαταλύτες καθόδου βασίζονται συχνά σε πολύτιμα μέταλλα και υλικά με βάση το πετρέλαιο άνθρακα, τα οποία όχι μόνο περιορίζονται στην παροχή πρώτων υλών, αλλά συνεπάγονται υψηλό οικονομικό κόστος.

Ωστόσο, η τρέχουσα παγκόσμια χρήση των ανανεώσιμων πόρων κυτταρίνης βιομάζας παρέχει πολύτιμες ευκαιρίες για την ανάπτυξη εναλλακτικών υλικών καθόδου επόμενης γενιάς. Ταυτόχρονα, αυτά τα υλικά έχουν τα πλεονεκτήματα της χαμηλής τιμής, της ευρείας προσφοράς, της οικολογίας και της προστασίας του περιβάλλοντος.

Ωστόσο, για τους υπάρχοντες ηλεκτροκαταλύτες 2e που προέρχονται από βιομάζα, δεν έχει επιτευχθεί ικανοποιητική απόδοση παραγωγής υδροϋπεροξειδίου λόγω προβλημάτων όπως λίγα ελαττώματα άνθρακα, ανεπαρκείς κενές θέσεις οξυγόνου και κακές δυνατότητες μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Επομένως, ο σχεδιασμός ενός ηλεκτροκαταλυτικού υλικού 2 ηλεκτρονίων με βάση τη βιομάζα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική σύνθεση ηλεκτροχημικά συντιθέμενων υδροϋπεροξειδίων έχει σημαντική πρακτική σημασία και μπορεί να επιτύχει σημαντικές προοπτικές εφαρμογής στον τομέα της απολύμανσης και της προηγμένης τεχνολογίας οξείδωσης.

(Πηγή: Small)

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η νανοκυτταρίνη παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτό το έργο. Η νανοκυτταρίνη βιομάζας δεν είναι μόνο άφθονη στη φύση, αλλά έχει και ανανεώσιμα χαρακτηριστικά.

Ο Qian Zhiyun, φοιτητής μεταπτυχιακού στην ομάδα, εργάζεται σε προκαταρκτικό έλεγχο υλικών και δομικό σχεδιασμό από τότε που έλαβε αυτό το έργο.

Έχει κάνει πολλές προσπάθειες, από σκόνη κυτταρίνης μεγέθους μικρού, έως διαλυμένη αναγεννημένη κυτταρίνη, έως συνηθισμένες ίνες χαρτιού, αλλά δεν κατάφερε να επιτύχει καλά αποτελέσματα.

Αργότερα, άρχισε να προσπαθεί να βελτιώσει την επιλεκτικότητα 2e της νανοκυτταρίνης και να αυξήσει την απόδοση του υδροϋπεροξειδίου από τη μοριακή κλίμακα και τη νανοκλίμακα.

Η επιφάνεια της νανοκυτταρίνης περιέχει μεγάλο αριθμό υδρόφιλων ομάδων που περιέχουν οξυγόνο και η ειδική επιφάνεια της είναι επίσης σχετικά μεγάλη.

Σε μοριακό επίπεδο, τα υδρόφιλα μικροϊνίδια ή νανοϊνίδια κυτταρίνης έχουν μεγάλο αριθμό υδροξυλομάδων που περιέχουν οξυγόνο και μοριακές αλυσίδες κυτταρίνης με μεγέθη σε επίπεδο υπονανομέτρων.

Με βάση τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, μπορούν να λειτουργήσουν επιφανειακά πολύ εύκολα. Με αυτόν τον τρόπο, η λειτουργική δομή της κυτταρίνης σε κλίμακα νανοκλίμακα ή micron μπορεί επίσης να ρυθμιστεί τεχνητά.

Σχήμα |. Δομικό διάγραμμα (Πηγή: Μικρό)

Με βάση αυτό, με συντονισμό κοβαλτίου της μονοδιάστατης νανοκυτταρίνης, ένας νανοδομημένος ζεόλιθος ιμιδαζόλης σκελετός-αφρός νανοκυτταρίνης μπορεί να αναπτυχθεί απευθείας γύρω από τη νανοκυτταρίνη.

Την ίδια στιγμή, ο Qian Zhiyun και άλλοι χρησιμοποίησαν αερογέλη νανοκυτταρίνης ως υπόστρωμα. Για τα νανοσωματίδια σκελετού ιμιδαζόλης ζεόλιθου-αφρού νανοκυτταρίνης, το πλεονέκτημα αυτού είναι ότι μπορεί να επιτύχει ομοιόμορφη ανάπτυξη στην επιφάνεια της νανοκυτταρίνης.

Επιπλέον, αυτά τα νανοσωματίδια μπορούν να επιτύχουν στενή διασύνδεση, η οποία εξασφαλίζει τη σταθερότητα των διαστάσεων της αρχικής δομής και αποτρέπει οποιαδήποτε απόρριψη και παραμόρφωση.

Μέσω αυτού, μπορούν να δημιουργηθούν δείγματα αερογέλης κοβαλτίου-νανοκυτταρίνης χρησιμοποιώντας μια απλή και χαμηλού κόστους μέθοδο.

Εικόνα | Μικροδομή καταλύτη (Πηγή: Μικρή)

Στη συνέχεια, με τη χρήση μοριακής μηχανικής και πυρόλυσης σε υψηλή θερμοκρασία, τα προαναφερθέντα δείγματα μπορούν να δημιουργήσουν πλήρως ενεργές θέσεις υψηλής δέσμευσης οξυγόνου εντός της δομής πυκνού δικτύου νανοκυτταρίνης.

Αυτή τη στιγμή, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν κατά μήκος του νανοδομημένου τετροξειδίου του κοβαλτίου που είναι αγκυρωμένο στον μονοδιάστατο βιοκάρβουνο, με αποτέλεσμα εξαιρετικές αποδόσεις υδροϋπεροξειδίου.

Σχήμα | Απόδοση σύνθεσης υδροϋπεροξειδίου και φαινόμενο Faraday (Πηγή: Small)

Γενικά, από την αρχική άνευ κατεύθυνσης εξερεύνηση μέχρι το σχεδιασμό της συντονισμένης με μέταλλο μοριακής μηχανικής, η ομάδα επέτρεψε στη νανοκυτταρίνη, έναν πόρο βιοάνθρακα, να απελευθερώσει τις εξαιρετικές δυνατότητές της.

Πρόσφατα, μια σχετική εργασία με τίτλο "Scalable Cathodic H2O2 Electrosynthesis using Cobalt-Coordinated Nanocellulose Electrocatalyst" δημοσιεύθηκε στο Small (IF 13).

Εικόνα | Σχετικά έγγραφα (Πηγή: Μικρή)

Ο Qian Zhiyun, φοιτητής μεταπτυχιακού στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Νότιας Κίνας, είναι ο πρώτος συγγραφέας και ο καθηγητής Liu Detao είναι ο αντίστοιχος συγγραφέας.

Εικόνα |. Qian Zhiyun, ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας (Πηγή: Χάρτης δεδομένων)

Σύμφωνα με αναφορές, η ηλεκτροχημική σύνθεση είναι μια αρχαία αλλά καινοτόμα βασική τεχνολογία. Είναι απλή, αποτελεσματική, πράσινη και ασφαλής, χαμηλού κόστους και εύκολη στην κλιμάκωση, παρουσιάζοντας πολύ ελκυστική εμπορική αξία.

Με τα χρόνια, Κινέζοι επιστήμονες έχουν λύσει πολλές τεχνικές προκλήσεις που είναι δύσκολο να ξεπεραστούν με άλλες μεθόδους, αναπτύσσοντας νέες τεχνολογίες ηλεκτροχημικής σύνθεσης.

Πολλά προηγούμενα τεχνολογικά επιτεύγματα έχουν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας νέες λύσεις σε κοινά τεχνικά προβλήματα του κλάδου.

Τα λειτουργικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των καθόδων, των ανοδίων, κ.λπ., είναι πάντα ο βασικός πυρήνας της ηλεκτροχημικής σύνθεσης, τα οποία καθορίζουν σε κάποιο βαθμό την απόδοση, το κόστος και τη διάρκεια ζωής της ηλεκτροχημικής σύνθεσης.

Ως εκ τούτου, η συνεχής ανάπτυξη νέων εναλλακτικών ηλεκτροκαταλυτικών υλικών υψηλής απόδοσης είναι ένας στόχος που επιδιώκουν οι επιστημονικοί ερευνητές.

Ως εκ τούτου, στο μέλλον, η ομάδα θα επικεντρωθεί στον μετασχηματισμό των μορίων κυτταρίνης για να προετοιμάσει μερικά νέα υλικά υψηλού επιπέδου 2e-ORR.

Προκειμένου να μειώσουν το κόστος και να απλοποιήσουν τη διαδικασία προετοιμασίας, θα πραγματοποιήσουν επίσης συνεργασία βιομηχανίας-πανεπιστημίου-ερευνητικής με εξωτερικές εταιρείες για την εφαρμογή του εγγράφου και την επίλυση προβλημάτων στην ανάπτυξη της βιομηχανίας.

«Αυτή τη στιγμή, πολλές εταιρείες μας έχουν τηλεφωνήσει και μας έχουν επισκεφθεί αναζητώντας συνεργασία», είπε ο ερευνητής.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

1.Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... & Duan, Y. (2024). Scalable Cathodic H2O2 Electrosynthesis using Cobalt-Coordinated Nanocellulose Electrocatalyst.Small, 2403947.

Στοιχειοθέτηση: Chu Jiashi

02/

03/

04/

05/