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Recentemente, o professor Liu Detao e sua equipe da Universidade de Tecnologia do Sul da ChinaUm novo método foi desenvolvido para melhorar a eficiência da produção de hidroperóxido eletrossintético.

Durante a pesquisa, a equipe de pesquisa partiu das escalas molecular, nanométrica, milimétrica e outras escalas de materiais, fornecendo um novo caminho de desenvolvimento para o projeto de uma nova geração de materiais eletrocatalíticos 2e baseados em biomassa.

Depois de otimizar o método de preparação do eletrodo de difusão gasosa, a equipe descobriu que o rendimento de síntese de hidroperóxido poderia chegar a 510,58 mg·L -1 ·cm -2 ·h -1 .

Este rendimento é dezenas de vezes superior ao de outros materiais catalíticos atuais à base de carbono de biomassa e também é várias vezes superior ao rendimento de materiais catalíticos à base de carbono do petróleo.

Foto | Foto do grupo de pesquisa (fonte: foto dos dados)

A nanocelulose é o objeto principal deste estudo. Tem as vantagens de alta porosidade e alta área superficial específica, e pode ser aplicado à estrutura tridimensional de aerogel de grupos funcionais coordenados contendo oxigênio.

Usando coordenação especial de íons metálicos na superfície da nanocelulose unidimensional e tecnologia de liofilização, um material chamado "espuma de nanocelulose de esqueleto de imidazol zeólito" pode ser criado.

Este material tem uma aparência roxa brilhante e sua estrutura é relativamente estável. Após processos como a carbonização, o material pode gerar sítios ativos abundantes para captura de oxigênio.

Figura | Amostra de aerogel de espuma de nanocelulose-zeólita imidazol sintetizada por coordenação de cobalto (Fonte: Small)

Além disso, também pode formar uma estrutura de tetróxido de tricobalto nanocompósito, que é muito propício para melhorar a eficiência da migração de elétrons, que por sua vez pode melhorar a eficiência de geração de hidroperóxido eletrossintético.

Durante a pesquisa, a equipe também projetou um dispositivo de tecnologia eletro-Fenton de cátodo duplo, que tem a capacidade de sinergizar.Pode decompor poluentes orgânicos comuns com alta eficiência, e a taxa de remoção chega a 99,43% em 30 minutos.

Para águas residuais de aquicultura, águas residuais de tintas, águas residuais de fabricação de papel e outras águas residuais, esta tecnologia também pode alcançar funções eficientes e rápidas de descontaminação e purificação.

Portanto, é muito promissor substituir a tecnologia existente de pastilhas de desinfecção química e desempenhar um papel na água potável saudável e na desinfecção portátil para purificação de água ao ar livre.

Segundo relatos, como um produto químico verde extremamente importante, o hidroperóxido tem amplas perspectivas de aplicação em semicondutores, assistência médica, controle ambiental, química fina e outros campos.

Atualmente, na produção de hidroperóxidos em escala industrial, as pessoas usam principalmente um método denominado "método da antraquinona".

Apresenta problemas como alto custo, operação complexa, poluição ambiental e transporte e armazenamento inseguros, o que dificulta seu uso em áreas selvagens e remotas.

Ao usar o método eletroquímico 2e-ORR para sintetizar hidroperóxido, ele não só é fácil de operar e possui alta eficiência de produção, mas também possui estabilidade eletroquímica muito boa, o que é especialmente adequado para algumas aplicações portáteis.

No entanto, a maioria dos eletrocatalisadores catódicos atuais dependem frequentemente de metais preciosos e materiais à base de carbono de petróleo, que não são apenas limitados pelo fornecimento de matéria-prima, mas também incorrem em elevados custos económicos.

No entanto, a atual utilização global de recursos renováveis ​​de celulose de biomassa oferece oportunidades valiosas para o desenvolvimento de materiais catódicos alternativos de próxima geração. Ao mesmo tempo, esses materiais apresentam as vantagens de baixo preço, ampla oferta, ecologia e proteção ambiental.

No entanto, para os eletrocatalisadores 2e derivados de biomassa existentes, a eficiência satisfatória da produção de hidroperóxidos não foi alcançada devido a problemas como poucos defeitos de carbono, vagas insuficientes de oxigênio e fraca capacidade de transferência de elétrons.

Portanto, projetar um material eletrocatalítico de 2 elétrons à base de biomassa que possa ser usado para sintetizar eficientemente hidroperóxidos sintetizados eletroquimicamente tem um significado prático importante e pode alcançar importantes perspectivas de aplicação no campo da desinfecção e tecnologia avançada de oxidação.

(Fonte: Pequeno)

Como mencionado anteriormente, a nanocelulose desempenha um papel importante neste projeto. A nanocelulose de biomassa não é apenas abundante na natureza, mas também possui características renováveis.

Qian Zhiyun, aluno de mestrado da equipe, tem trabalhado na triagem preliminar de materiais e no projeto estrutural desde que recebeu este projeto.

Ela fez muitas tentativas, desde pó de celulose de tamanho micrométrico, até celulose regenerada dissolvida, até fibra de papel comum, mas não conseguiu obter bons resultados.

Posteriormente, ela começou a tentar melhorar a seletividade 2e da ​​nanocelulose e aumentar o rendimento de hidroperóxido em escala molecular e nanoescala.

A superfície da nanocelulose contém um grande número de grupos hidrofílicos contendo oxigênio, e sua área superficial específica também é relativamente grande.

No nível molecular, as microfibrilas ou nanofibrilas de celulose hidrofílicas possuem um grande número de grupos hidroxila contendo oxigênio e cadeias moleculares de celulose com tamanhos em nível subnanômetro.

Com base nas vantagens mencionadas acima, eles podem ser funcionalizados superficialmente com muita facilidade. Desta forma, a estrutura funcional da celulose em escala nanométrica ou micrométrica também pode ser ajustada artificialmente.

Figura | Diagrama estrutural (Fonte: Pequeno)

Com base nisso, por coordenação de cobalto da nanocelulose unidimensional, uma espuma nanoestruturada de esqueleto de zeólito imidazol-nanocelulose pode ser cultivada diretamente em torno da nanocelulose.

Ao mesmo tempo, Qian Zhiyun e outros usaram aerogel de nanocelulose como substrato. Para nanopartículas de espuma de nanocelulose com esqueleto de zeólita imidazol, a vantagem disso é que pode atingir um crescimento uniforme na superfície da nanocelulose.

Além disso, estas nanopartículas são capazes de alcançar interligações estreitas, o que garante a estabilidade dimensional da estrutura original e evita qualquer derramamento e deformação.

Com isso, amostras de aerogel de cobalto-nanocelulose podem ser criadas usando um método simples e de baixo custo.

Figura | Microestrutura do catalisador (Fonte: Pequeno)

Posteriormente, usando engenharia molecular e pirólise de alta temperatura, as amostras acima mencionadas podem gerar totalmente locais ativos de alta captura de oxigênio dentro da densa estrutura da rede de nanocelulose.

Neste momento, os elétrons podem ser transferidos ao longo do tetróxido de cobalto nanoestruturado ancorado no biochar unidimensional, resultando em excelentes rendimentos de hidroperóxido.

Figura | Rendimento de síntese de hidroperóxido e efeito Faraday (Fonte: Small)

Em geral, desde a exploração inicial sem direção até o projeto de engenharia molecular coordenada por metais, a equipe permitiu que a nanocelulose, um recurso de biocarbono, liberasse seu excelente potencial.

Recentemente, um artigo relacionado foi publicado no Small (IF 13) com o título "Eletrossíntese Catódica Escalável de H2O2 usando Eletrocatalisador de Nanocelulose Coordenado por Cobalto".

Figura Artigos relacionados (Fonte: Small)

Qian Zhiyun, estudante de mestrado na South China University of Technology, é o primeiro autor, e o professor Liu Detao é o autor correspondente.

Figura | Qian Zhiyun, primeiro autor do artigo (Fonte: Mapa de dados)

Segundo relatos, a síntese eletroquímica é uma tecnologia-chave antiga, mas nova. É simples, eficiente, verde e segura, de baixo custo e fácil de ampliar, apresentando um valor comercial muito atraente.

Ao longo dos anos, os cientistas chineses resolveram muitos desafios técnicos que são difíceis de superar por outros métodos, desenvolvendo novas tecnologias de síntese eletroquímica.

Muitas conquistas tecnológicas anteriores foram aplicadas em larga escala, fornecendo novas soluções para problemas técnicos comuns na indústria.

Os materiais funcionais, incluindo cátodos, ânodos, etc., sempre foram o núcleo principal da síntese eletroquímica, que determina até certo ponto a eficiência, o custo e a vida útil da síntese eletroquímica.

Portanto, o desenvolvimento contínuo de novos materiais eletrocatalíticos alternativos de alto desempenho é um objetivo que os pesquisadores científicos têm perseguido.

Portanto, no futuro, a equipe se concentrará na transformação de moléculas de celulose para preparar alguns novos materiais 2e-ORR de alto nível.

A fim de reduzir custos e simplificar o processo de preparação, também realizarão cooperação indústria-universidade-pesquisa com empresas externas para implementar o documento e resolver gargalos no desenvolvimento da indústria.

“Atualmente, muitas empresas têm-nos telefonado e visitado em busca de cooperação”, disse o investigador.

Referências:

1.Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... & Duan, Y. (2024). Eletrossíntese catódica escalável de H2O2 usando eletrocatalisador de nanocelulose coordenado por cobalto. Pequeno, 2403947.

Composição: Chu Jiashi

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