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Recentemente, il professor Liu Detao e il suo team della South China University of TechnologyÈ stato sviluppato un nuovo metodo per migliorare l'efficienza della produzione di idroperossido elettrosintetico.

Durante la ricerca, il gruppo di ricerca è partito dalla scala molecolare, nanometrica, millimetrica e di altri materiali, fornendo un nuovo percorso di sviluppo per la progettazione di una nuova generazione di materiali elettrocatalitici 2e basati su biomassa.

Dopo aver ottimizzato il metodo di preparazione dell'elettrodo a diffusione di gas, il team ha scoperto che la resa di sintesi dell'idroperossido potrebbe raggiungere 510,58 mg·L -1 ·cm -2 ·h -1.

Questa resa è decine di volte superiore a quella di altri attuali materiali catalitici a base di carbonio da biomassa ed è anche molte volte superiore alla resa di materiali catalitici a base di carbonio di petrolio.

Figura |. Foto del gruppo di ricerca (fonte: mappa dati)

La nanocellulosa è l'oggetto principale di questo studio. Presenta i vantaggi di un'elevata porosità e di un'elevata area superficiale specifica e può essere applicato alla struttura tridimensionale dell'aerogel di gruppi funzionali coordinati contenenti ossigeno.

Utilizzando la speciale coordinazione degli ioni metallici sulla superficie della nanocellulosa unidimensionale e la tecnologia di liofilizzazione, è possibile creare un materiale chiamato "schiuma di zeolite imidazolo scheletro-nanocellulosa".

Questo materiale ha un aspetto viola brillante e la sua struttura è relativamente stabile. Dopo processi come la carbonizzazione, il materiale può generare abbondanti siti attivi per la cattura dell'ossigeno.

Figura |. Campione di aerogel in schiuma di nanocellulosa-zeolite imidazolo-nanocellulosa sintetizzato mediante coordinazione del cobalto (Fonte: Piccolo)

Inoltre, può anche formare una struttura nanocomposita di tetrossido di cobalto, che è molto favorevole al miglioramento dell'efficienza della migrazione degli elettroni, che a sua volta può migliorare l'efficienza di generazione dell'idroperossido elettrosintetico.

Durante la ricerca, il team ha anche progettato un dispositivo con tecnologia elettro-Fenton a doppio catodo, che ha la capacità di sinergizzare.Può decomporre i comuni inquinanti organici con elevata efficienza e il tasso di rimozione raggiunge il 99,43% entro 30 minuti.

Per le acque reflue dell'acquacoltura, le acque reflue delle vernici, le acque reflue della fabbricazione della carta e altre acque reflue, questa tecnologia può anche ottenere funzioni di decontaminazione e purificazione efficienti e rapide.

Pertanto, è molto promettente sostituire la tecnologia esistente delle compresse di disinfezione chimica e svolgere un ruolo nella disinfezione dell'acqua potabile sana e della purificazione dell'acqua portatile all'aperto.

Secondo i rapporti, essendo una sostanza chimica verde estremamente importante, l'idroperossido ha ampie prospettive di applicazione nei semiconduttori, nell'assistenza medica, nel controllo ambientale, nella chimica fine e in altri campi.

Attualmente, nella produzione su scala industriale di idroperossidi, le persone utilizzano principalmente un metodo chiamato "metodo dell'antrachinone".

Presenta problemi quali costi elevati, funzionamento complesso, inquinamento ambientale e trasporto e stoccaggio non sicuri, che ne rendono difficile l'utilizzo in aree selvagge e remote.

Utilizzando il metodo elettrochimico 2e-ORR per sintetizzare l'idroperossido, non solo è facile da usare e ha un'elevata efficienza produttiva, ma ha anche un'ottima stabilità elettrochimica, che è particolarmente adatta per alcune applicazioni portatili.

Tuttavia, la maggior parte degli attuali elettrocatalizzatori catodici si basano spesso su metalli preziosi e materiali a base di petrolio e carbonio, che non solo sono limitati nella fornitura di materie prime, ma comportano anche elevati costi economici.

Tuttavia, l’attuale utilizzo globale delle risorse rinnovabili di cellulosa da biomassa offre preziose opportunità per lo sviluppo di materiali catodici alternativi di prossima generazione. Allo stesso tempo, questi materiali presentano i vantaggi del prezzo basso, dell'ampia offerta, dell'ecologia e della protezione dell'ambiente.

Tuttavia, per gli elettrocatalizzatori 2e esistenti derivati ​​da biomassa, non è stata raggiunta un’efficienza di produzione di idroperossido soddisfacente a causa di problemi quali pochi difetti di carbonio, posti vacanti di ossigeno insufficienti e scarse capacità di trasferimento di elettroni.

Pertanto, la progettazione di un materiale elettrocatalitico a 2 elettroni basato su biomassa che può essere utilizzato per sintetizzare in modo efficiente idroperossidi sintetizzati elettrochimicamente ha un importante significato pratico e può raggiungere importanti prospettive applicative nel campo della disinfezione e della tecnologia di ossidazione avanzata.

(Fonte: Piccolo)

Come accennato in precedenza, la nanocellulosa svolge un ruolo importante in questo progetto. La nanocellulosa della biomassa non solo è abbondante in natura, ma ha anche caratteristiche rinnovabili.

Qian Zhiyun, uno studente del master del team, ha lavorato allo screening preliminare dei materiali e alla progettazione strutturale da quando ha ricevuto questo progetto.

Ha fatto molti tentativi, dalla polvere di cellulosa delle dimensioni di un micron, alla cellulosa rigenerata disciolta, alla normale fibra di carta, ma non è riuscita a ottenere buoni risultati.

Successivamente, ha iniziato a provare a migliorare la selettività 2e della nanocellulosa e ad aumentare la resa di idroperossido su scala molecolare e nanometrica.

La superficie della nanocellulosa contiene un gran numero di gruppi idrofili contenenti ossigeno e anche la sua area superficiale specifica è relativamente ampia.

A livello molecolare, le microfibrille o nanofibrille di cellulosa idrofila hanno un gran numero di gruppi idrossilici contenenti ossigeno e catene molecolari di cellulosa con dimensioni a livello sub-nanometrico.

Sulla base dei vantaggi sopra menzionati, possono essere funzionalizzati in superficie molto facilmente. In questo modo è possibile modificare artificialmente anche la struttura funzionale della cellulosa su scala nanometrica o micrometrica.

Figura |. Diagramma strutturale (Fonte: Small)

Sulla base di ciò, mediante la coordinazione del cobalto della nanocellulosa unidimensionale, una schiuma nanostrutturata di zeolite imidazolo scheletro-nanocellulosa può essere coltivata direttamente attorno alla nanocellulosa.

Allo stesso tempo, Qian Zhiyun e altri hanno utilizzato l’aerogel di nanocellulosa come substrato. Per le nanoparticelle di schiuma di zeolite imidazolo scheletro-nanocellulosa, il vantaggio è che può raggiungere una crescita uniforme sulla superficie della nanocellulosa.

Inoltre, queste nanoparticelle possono raggiungere una stretta interconnessione, che garantisce la stabilità dimensionale della struttura originale e previene qualsiasi distacco e deformazione.

In questo modo, è possibile creare campioni di aerogel di cobalto-nanocellulosa utilizzando un metodo semplice ed economico.

Figura |. Microstruttura del catalizzatore (Fonte: Small)

Successivamente, utilizzando l'ingegneria molecolare e la pirolisi ad alta temperatura, i campioni sopra menzionati possono generare completamente siti attivi ad alta cattura di ossigeno all'interno della densa struttura della rete di nanocellulosa.

In questo momento, gli elettroni possono essere trasferiti lungo il tetrossido di cobalto nanostrutturato ancorato al biochar unidimensionale, ottenendo eccellenti rese di idroperossido.

Figura |. Resa della sintesi dell'idroperossido ed effetto Faraday (Fonte: Piccolo)

In generale, dall'esplorazione iniziale senza direzione alla progettazione dell'ingegneria molecolare coordinata con i metalli, il team ha permesso alla nanocellulosa, una risorsa di biocarbonio, di liberare il suo eccellente potenziale.

Recentemente, un articolo correlato intitolato "Elettrosintesi catodica scalabile di H2O2 utilizzando elettrocatalizzatore di nanocellulosa coordinato al cobalto" è stato pubblicato su Small (IF 13).

Figura |. Articoli correlati (Fonte: Small)

Qian Zhiyun, studente di master presso la South China University of Technology, è il primo autore e il professor Liu Detao è l'autore corrispondente.

Figura |. Qian Zhiyun, il primo autore dell'articolo (Fonte: mappa dati)

Secondo i rapporti, la sintesi elettrochimica è una tecnologia chiave antica ma nuova. È semplice, efficiente, ecologica e sicura, a basso costo e facile da espandere, mostrando un valore commerciale molto interessante.

Nel corso degli anni, gli scienziati cinesi hanno risolto molte sfide tecniche difficili da superare con altri metodi, sviluppando nuove tecnologie di sintesi elettrochimica.

Molti risultati tecnologici precedenti sono stati applicati su larga scala, fornendo nuove soluzioni a problemi tecnici comuni nel settore.

I materiali funzionali, inclusi catodi, anodi, ecc., sono sempre il nucleo chiave della sintesi elettrochimica, che in una certa misura determina l'efficienza, il costo e la vita lavorativa della sintesi elettrochimica.

Pertanto, il continuo sviluppo di nuovi materiali elettrocatalitici alternativi ad alte prestazioni è un obiettivo che i ricercatori scientifici stanno perseguendo.

Pertanto, in futuro, il team si concentrerà sulla trasformazione delle molecole di cellulosa per preparare alcuni nuovi materiali 2e-ORR di alto livello.

Al fine di ridurre i costi e semplificare il processo di preparazione, effettueranno anche una cooperazione tra industria, università e ricerca con società esterne per implementare il documento e risolvere i colli di bottiglia nello sviluppo del settore.

"Attualmente molte aziende ci hanno chiamato e ci hanno fatto visita in cerca di collaborazione", ha detto il ricercatore.

Riferimenti:

1. Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... e Duan, Y. (2024). Elettrosintesi catodica scalabile di H2O2 utilizzando elettrocatalizzatore di nanocellulosa coordinato con cobalto. Small, 2403947.

Composizione tipografica: Chu Jiashi

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