berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Baru-baru ini, Profesor Liu Detao dan timnya dari South China University of TechnologySebuah metode baru telah dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi produksi hidroperoksida elektrosintetik.

Selama penelitian, tim peneliti memulai dari skala molekuler, nanometer, milimeter dan material lainnya, memberikan jalur pengembangan baru untuk desain generasi baru material elektrokatalitik 2e berbasis biomassa.

Setelah mengoptimalkan metode preparasi elektroda difusi gas, tim menemukan bahwa hasil sintesis hidroperoksida dapat mencapai 510,58 mg·L -1 ·cm -2 ·h -1 .

Hasil ini puluhan kali lebih tinggi dibandingkan bahan katalitik berbasis karbon biomassa lainnya saat ini, dan juga beberapa kali lebih tinggi dibandingkan hasil bahan katalitik berbasis karbon minyak bumi.

Gambar |. Foto kelompok penelitian (sumber: peta data)

Nanoselulosa menjadi objek utama penelitian ini. Ini memiliki keunggulan porositas tinggi dan luas permukaan spesifik yang tinggi, dan dapat diterapkan pada struktur aerogel tiga dimensi dari gugus fungsi yang mengandung oksigen terkoordinasi.

Dengan menggunakan koordinasi ion logam khusus pada permukaan nanoselulosa satu dimensi dan teknologi pengeringan beku, bahan yang disebut "busa nanoselulosa kerangka imidazol zeolit" dapat dibuat.

Bahan ini memiliki tampilan ungu cerah dan strukturnya relatif stabil. Setelah proses seperti karbonisasi, material tersebut dapat menghasilkan situs aktif yang melimpah untuk penangkapan oksigen.

Gambar |. Kerangka nanoselulosa-zeolit ​​imidazol-sampel aerogel busa nanoselulosa yang disintesis dengan koordinasi kobalt (Sumber: Kecil)

Selain itu, ia juga dapat membentuk struktur kobalt tetroksida nanokomposit, yang sangat kondusif untuk meningkatkan efisiensi migrasi elektron, yang pada gilirannya dapat meningkatkan efisiensi pembangkitan hidroperoksida elektrosintetik.

Dalam penelitiannya, tim juga merancang perangkat berteknologi dual-katoda elektro-Fenton yang memiliki kemampuan bersinergi.Ini dapat menguraikan polutan organik umum dengan efisiensi tinggi, dan tingkat penghilangan mencapai 99,43% dalam waktu 30 menit.

Untuk air limbah budidaya, air limbah cat, air limbah pembuatan kertas, dan air limbah lainnya, teknologi ini juga dapat mencapai fungsi dekontaminasi dan pemurnian yang efisien dan cepat.

Oleh karena itu, sangat menjanjikan untuk menggantikan teknologi tablet desinfeksi kimia yang ada dan berperan dalam air minum yang sehat dan desinfeksi pemurnian air portabel di luar ruangan.

Menurut laporan, sebagai bahan kimia ramah lingkungan yang sangat penting, hidroperoksida memiliki prospek penerapan yang luas dalam semikonduktor, perawatan medis, pengendalian lingkungan, bahan kimia, dan bidang lainnya.

Saat ini, dalam produksi hidroperoksida skala industri, masyarakat terutama menggunakan metode yang disebut "metode antrakuinon".

Ini memiliki masalah seperti biaya tinggi, pengoperasian yang rumit, pencemaran lingkungan, serta transportasi dan penyimpanan yang tidak aman, sehingga sulit digunakan di alam liar dan daerah terpencil.

Dengan menggunakan metode elektrokimia 2e-ORR untuk mensintesis hidroperoksida, tidak hanya mudah dioperasikan dan memiliki efisiensi produksi yang tinggi, tetapi juga memiliki stabilitas elektrokimia yang sangat baik, yang sangat cocok untuk beberapa aplikasi portabel.

Namun, sebagian besar elektrokatalis katoda saat ini sering kali bergantung pada logam mulia dan bahan berbasis karbon minyak bumi, yang tidak hanya terbatas pada pasokan bahan mentah, tetapi juga menimbulkan biaya ekonomi yang tinggi.

Namun, pemanfaatan sumber daya selulosa biomassa terbarukan secara global saat ini memberikan peluang berharga untuk pengembangan bahan katoda alternatif generasi mendatang. Pada saat yang sama, bahan-bahan ini memiliki keunggulan harga murah, pasokan luas, ekologi dan perlindungan lingkungan.

Namun, untuk elektrokatalis 2e turunan biomassa yang ada, efisiensi produksi hidroperoksida yang memuaskan belum tercapai karena masalah seperti sedikit cacat karbon, kekosongan oksigen yang tidak mencukupi, dan kemampuan transfer elektron yang buruk.

Oleh karena itu, merancang bahan elektrokatalitik 2 elektron berbasis biomassa yang dapat digunakan untuk mensintesis hidroperoksida yang disintesis secara elektrokimia secara efisien memiliki signifikansi praktis yang penting dan dapat mencapai prospek penerapan penting di bidang desinfeksi dan teknologi oksidasi tingkat lanjut.

(Sumber: Kecil)

Seperti disebutkan sebelumnya, nanoselulosa memainkan peran penting dalam proyek ini. Nanoselulosa biomassa tidak hanya melimpah di alam, tetapi juga memiliki sifat terbarukan.

Qian Zhiyun, seorang mahasiswa master di tim, telah mengerjakan penyaringan awal material dan desain struktur sejak menerima proyek ini.

Dia telah melakukan banyak upaya, mulai dari bubuk selulosa berukuran mikron, hingga selulosa teregenerasi terlarut, hingga serat kertas biasa, namun belum mampu mencapai hasil yang baik.

Kemudian, dia mulai mencoba meningkatkan selektivitas 2e nanoselulosa dan meningkatkan hasil hidroperoksida dari skala molekuler dan skala nano.

Permukaan nanoselulosa mengandung sejumlah besar gugus yang mengandung oksigen hidrofilik, dan luas permukaan spesifiknya juga relatif besar.

Pada tingkat molekuler, mikrofibril selulosa hidrofilik atau nanofibril memiliki sejumlah besar gugus hidroksil yang mengandung oksigen dan rantai molekul selulosa dengan ukuran pada tingkat sub-nanometer.

Berdasarkan keunggulan yang disebutkan di atas, permukaannya dapat difungsikan dengan sangat mudah. Dengan cara ini, struktur fungsional selulosa pada skala nano atau mikron juga dapat disesuaikan secara artifisial.

Gambar |. Diagram struktur (Sumber: Kecil)

Berdasarkan hal ini, dengan koordinasi kobalt dari nanoselulosa satu dimensi, busa kerangka-nanoselulosa zeolit ​​imidazol berstrukturnano dapat ditanam langsung di sekitar nanoselulosa.

Pada saat yang sama, Qian Zhiyun dan yang lainnya menggunakan aerogel nanoselulosa sebagai substrat. Untuk nanopartikel busa kerangka-nanoselulosa zeolit ​​imidazol, keuntungannya adalah dapat mencapai pertumbuhan seragam pada permukaan nanoselulosa.

Selain itu, nanopartikel ini dapat mencapai interkoneksi yang erat, yang menjamin stabilitas dimensi struktur aslinya dan mencegah pelepasan dan deformasi.

Melalui ini, sampel aerogel kobalt-nanoselulosa dapat dibuat menggunakan metode sederhana dan berbiaya rendah.

Gambar |. Struktur mikro katalis (Sumber: Kecil)

Selanjutnya, dengan menggunakan rekayasa molekuler dan pirolisis suhu tinggi, sampel yang disebutkan di atas dapat sepenuhnya menghasilkan situs aktif penangkapan oksigen tinggi dalam struktur jaringan nanoselulosa padat.

Pada saat ini, elektron dapat ditransfer sepanjang kobalt tetroksida berstrukturnano yang ditambatkan pada biochar satu dimensi, sehingga menghasilkan hasil hidroperoksida yang sangat baik.

Gambar |. Hasil sintesis hidroperoksida dan efek Faraday (Sumber: Kecil)

Secara umum, mulai dari eksplorasi awal tanpa arah hingga desain rekayasa molekuler terkoordinasi logam, tim telah memungkinkan nanoselulosa, sumber daya biokarbon, untuk mengeluarkan potensi luar biasa yang dimilikinya.

Baru-baru ini, makalah terkait berjudul "Elektrosintesis H2O2 Katodik yang Dapat Diskalakan menggunakan Elektrokatalis Nanoselulosa Terkoordinasi Cobalt" diterbitkan di Small (IF 13).

Gambar |. Makalah terkait (Sumber: Kecil)

Qian Zhiyun, seorang mahasiswa master di South China University of Technology, adalah penulis pertama, dan Profesor Liu Detao bertindak sebagai penulis koresponden.

Gambar |. Qian Zhiyun, penulis pertama makalah ini (Sumber: Peta data)

Menurut laporan, sintesis elektrokimia adalah teknologi kunci kuno namun baru. Ini sederhana, efisien, ramah lingkungan dan aman, berbiaya rendah dan mudah untuk ditingkatkan, menunjukkan nilai komersial yang sangat menarik.

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan Tiongkok telah memecahkan banyak tantangan teknis yang sulit diatasi dengan metode lain dengan mengembangkan teknologi sintesis elektrokimia baru.

Banyak pencapaian teknologi sebelumnya yang telah diterapkan dalam skala besar, memberikan solusi baru terhadap masalah teknis umum di industri.

Bahan fungsional, termasuk katoda, anoda, dll., selalu menjadi inti utama sintesis elektrokimia, yang sampai batas tertentu menentukan efisiensi, biaya, dan masa kerja sintesis elektrokimia.

Oleh karena itu, pengembangan berkelanjutan bahan elektrokatalitik alternatif baru yang berkinerja tinggi adalah tujuan yang sedang dikejar oleh para peneliti ilmiah.

Oleh karena itu, ke depan, tim akan fokus pada transformasi molekul selulosa untuk menyiapkan beberapa bahan 2e-ORR tingkat tinggi baru.

Untuk mengurangi biaya dan menyederhanakan proses persiapan, mereka juga akan melakukan kerjasama penelitian industri-universitas dengan perusahaan eksternal untuk mengimplementasikan makalah dan memecahkan hambatan dalam pengembangan industri.

“Saat ini sudah banyak perusahaan yang menelepon dan mengunjungi kami untuk mencari kerja sama,” kata peneliti.

Referensi:

1. Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... & Duan, Y. (2024). Elektrosintesis H2O2 Katodik yang Dapat Diskalakan menggunakan Elektrokatalis Nanoselulosa Terkoordinasi Kobalt. Small, 2403947.

Penyusunan huruf: Chu Jiashi

02/

03/

04/

05/