Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Недавно профессор Лю Детао и его команда из Южно-Китайского технологического университетаРазработан новый метод повышения эффективности производства электросинтетического гидропероксида.

В ходе исследования исследовательская группа начала с молекулярного, нанометрового, миллиметрового и других масштабов материалов, открыв новый путь разработки для разработки нового поколения 2e-электрокаталитических материалов на основе биомассы.

После оптимизации метода изготовления газодиффузионных электродов команда обнаружила, что выход синтеза гидропероксида может достигать 510,58 мг·л-1 ·см-2 ·ч-1.

Этот выход в десятки раз выше, чем у других современных каталитических материалов на основе углерода из биомассы, а также в несколько раз выше, чем выход каталитических материалов на основе нефтяного углерода.

Рисунок | Фотография исследовательской группы (источник: карта данных)

Наноцеллюлоза является основным объектом данного исследования. Он обладает преимуществами высокой пористости и высокой удельной поверхности и может быть применен к трехмерной структуре аэрогеля с координированными кислородсодержащими функциональными группами.

Используя специальную координацию ионов металлов на поверхности одномерной наноцеллюлозы и технологию сублимационной сушки, можно создать материал под названием «цеолит-имидазольный каркас-пена наноцеллюлозы».

Этот материал имеет ярко-фиолетовый цвет и его структура относительно стабильна. После таких процессов, как карбонизация, материал может образовывать множество активных центров для захвата кислорода.

Рисунок | Образец аэрогеля наноцеллюлоза-цеолит-имидазольный каркас-наноцеллюлозная пена, синтезированный путем координации кобальта (Источник: Small)

Более того, он также может образовывать нанокомпозитную структуру тетраоксида кобальта, что очень способствует повышению эффективности миграции электронов, что, в свою очередь, может повысить эффективность генерации электросинтетического гидропероксида.

В ходе исследования команда также разработала устройство с двойным катодом по электрофентоновой технологии, обладающее способностью синергизировать.Он может с высокой эффективностью разлагать обычные органические загрязнители, а степень удаления достигает 99,43% в течение 30 минут.

Для сточных вод аквакультуры, сточных вод красок, сточных вод бумажного производства и других сточных вод эта технология также может обеспечить эффективные и быстрые функции обеззараживания и очистки.

Таким образом, очень перспективно заменить существующую технологию таблеток химической дезинфекции и сыграть роль в дезинфекции здоровой питьевой воды и портативной очистки воды на открытом воздухе.

По имеющимся данным, гидропероксид как чрезвычайно важный экологически чистый химикат имеет широкие перспективы применения в полупроводниках, здравоохранении, контроле за окружающей средой, тонкой химии и других областях.

В настоящее время при промышленном производстве гидропероксидов в основном используют метод, называемый «антрахиноновым методом».

У него есть такие проблемы, как высокая стоимость, сложная эксплуатация, загрязнение окружающей среды, а также небезопасная транспортировка и хранение, что затрудняет его использование в дикой природе и отдаленных районах.

Используя электрохимический метод 2e-ORR для синтеза гидропероксида, он не только прост в эксплуатации и имеет высокую эффективность производства, но также обладает очень хорошей электрохимической стабильностью, что особенно подходит для некоторых портативных применений.

Однако большинство современных катодных электрокатализаторов часто основаны на драгоценных металлах и материалах на основе нефтяного углерода, которые не только ограничены в поставках сырья, но и несут высокие экономические затраты.

Однако нынешнее глобальное использование возобновляемых ресурсов целлюлозы из биомассы открывает ценные возможности для разработки альтернативных катодных материалов следующего поколения. В то же время эти материалы имеют такие преимущества, как низкая цена, широкая поставка, экология и защита окружающей среды.

Однако для существующих 2e-электрокатализаторов, полученных из биомассы, удовлетворительная эффективность производства гидропероксида не была достигнута из-за таких проблем, как малое количество углеродных дефектов, недостаточное количество кислородных вакансий и плохая способность к переносу электронов.

Таким образом, разработка 2-электронного электрокаталитического материала на основе биомассы, который можно использовать для эффективного синтеза электрохимически синтезированных гидропероксидов, имеет важное практическое значение и может обеспечить важные перспективы применения в области технологий дезинфекции и современного окисления.

(Источник: Малый)

Как упоминалось ранее, наноцеллюлоза играет важную роль в этом проекте. Биомасса наноцеллюлозы не только широко распространена в природе, но и обладает возобновляемыми характеристиками.

Цянь Чжиюнь, магистрант в команде, с момента получения этого проекта работал над предварительным отбором материалов и структурным проектированием.

Она предприняла множество попыток, от целлюлозного порошка микронного размера до растворенной регенерированной целлюлозы и обычного бумажного волокна, но не смогла добиться хороших результатов.

Позже она начала пытаться улучшить 2e-селективность наноцеллюлозы и увеличить выход гидропероксида на молекулярном и наноуровне.

Поверхность наноцеллюлозы содержит большое количество гидрофильных кислородсодержащих групп, а ее удельная поверхность также относительно велика.

На молекулярном уровне гидрофильные микрофибриллы или нанофибриллы целлюлозы имеют большое количество кислородсодержащих гидроксильных групп и молекулярных цепочек целлюлозы с размерами на субнанометровом уровне.

Благодаря преимуществам, упомянутым выше, их можно очень легко функционализировать на поверхности. Таким образом, функциональная структура целлюлозы на нано- или микронном уровне также может быть искусственно скорректирована.

Структурная схема (Источник: Small)

На основании этого, путем координации кобальтом одномерной наноцеллюлозы, можно выращивать наноструктурированную пену цеолит-имидазольный скелет-наноцеллюлоза непосредственно вокруг наноцеллюлозы.

В то же время Цянь Чжиюнь и другие использовали в качестве подложки наноцеллюлозный аэрогель. Преимущество наночастиц пенопласта цеолит-имидазол-каркас-наноцеллюлоза состоит в том, что можно добиться равномерного роста на поверхности наноцеллюлозы.

Кроме того, эти наночастицы могут достигать плотных взаимосвязей, что обеспечивает размерную стабильность исходной структуры и предотвращает любые высыпания и деформации.

Благодаря этому образцы аэрогеля кобальт-наноцеллюлозы могут быть созданы простым и недорогим методом.

Рисунок Микроструктура катализатора (Источник: Small)

Впоследствии, с помощью молекулярной инженерии и высокотемпературного пиролиза, вышеупомянутые образцы могут полностью генерировать активные центры с высокой степенью захвата кислорода внутри плотной сетчатой ​​структуры наноцеллюлозы.

В это время электроны могут переноситься вдоль наноструктурированного тетраоксида кобальта, закрепленного на одномерном биоугле, что приводит к превосходным выходам гидропероксида.

Рисунок | Выход при синтезе гидропероксида и эффект Фарадея (Источник: Смолл)

В целом, от первоначальных бесцельных исследований до разработки металл-координированной молекулярной инженерии, команда позволила наноцеллюлозе, биоуглеродному ресурсу, раскрыть свой огромный потенциал.

Недавно на сайте Small (IF 13) была опубликована соответствующая статья под названием «Масштабируемый катодный электросинтез H2O2 с использованием кобальт-координированного наноцеллюлозного электрокатализатора».

Рисунок | Похожие статьи (Источник: Small)

Цянь Чжиюнь, магистрант Южно-Китайского технологического университета, является первым автором, а профессор Лю Детао — автором-переписчиком.

Рисунок | Цянь Чжиюнь, первый автор статьи (Источник: Карта данных)

По имеющимся данным, электрохимический синтез — это древняя, но новая ключевая технология. Она проста, эффективна, экологична и безопасна, недорога и легко масштабируется, демонстрируя очень привлекательную коммерческую ценность.

За прошедшие годы китайские ученые решили множество технических задач, которые трудно преодолеть другими методами, путем разработки новых технологий электрохимического синтеза.

Многие предыдущие технологические достижения были применены в больших масштабах, предоставив новые решения общих технических проблем в отрасли.

Функциональные материалы, в том числе катоды, аноды и т. д., всегда являются ключевым ядром электрохимического синтеза, которое в определенной степени определяет эффективность, стоимость и срок службы электрохимического синтеза.

Поэтому непрерывная разработка новых альтернативных высокоэффективных электрокаталитических материалов является целью, которую преследуют научные исследователи.

Поэтому в будущем команда сосредоточится на трансформации молекул целлюлозы, чтобы подготовить новые материалы 2e-ORR высокого уровня.

Чтобы сократить расходы и упростить процесс подготовки, они также будут осуществлять сотрудничество между промышленностью, университетами и исследованиями с внешними компаниями для внедрения документа и устранения узких мест в развитии отрасли.

«В настоящее время к нам звонят и посещают многие компании с просьбой о сотрудничестве», — сказал исследователь.

Использованная литература:

1. Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... и Duan, Y. (2024). Масштабируемый катодный электросинтез H2O2 с использованием электрокатализатора на основе координированной кобальтом наноцеллюлозы. Small, 2403947.

Набор текста: Чу Цзяши

02/

03/

04/

05/