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Recientemente, el profesor Liu Detao y su equipo de la Universidad Tecnológica del Sur de ChinaSe ha desarrollado un nuevo método para mejorar la eficiencia de la producción de hidroperóxido electrosintético.

Durante la investigación, el equipo de investigación partió de las escalas molecular, nanométrica, milimétrica y de otros materiales, proporcionando una nueva vía de desarrollo para el diseño de una nueva generación de materiales electrocatalíticos 2e basados ​​en biomasa.

Después de optimizar el método de preparación del electrodo de difusión de gas, el equipo descubrió que el rendimiento de síntesis de hidroperóxido podría alcanzar 510,58 mg·L -1 ·cm -2 ·h -1.

Este rendimiento es decenas de veces mayor que el de otros materiales catalíticos a base de carbono de biomasa actuales, y también es varias veces mayor que el rendimiento de los materiales catalíticos a base de carbono de petróleo.

Figura | Foto del grupo de investigación (fuente: mapa de datos)

La nanocelulosa es el principal objeto de este estudio. Tiene las ventajas de una alta porosidad y una alta superficie específica, y se puede aplicar a la estructura tridimensional del aerogel de grupos funcionales coordinados que contienen oxígeno.

Utilizando una coordinación especial de iones metálicos en la superficie de nanocelulosa unidimensional y tecnología de liofilización, se puede crear un material llamado "espuma de nanocelulosa de esqueleto de imidazol de zeolita".

Este material tiene un aspecto violeta brillante y su estructura es relativamente estable. Luego de procesos como la carbonización, el material puede generar abundantes sitios activos para la captura de oxígeno.

Figura | Muestra de aerogel de espuma de nanocelulosa-zeolita-imidazol estructura sintetizada por coordinación de cobalto (Fuente: Pequeño)

Además, también puede formar una estructura nanocompuesta de tetróxido de cobalto, que es muy propicia para mejorar la eficiencia de la migración de electrones, lo que a su vez puede mejorar la eficiencia de generación de hidroperóxido electrosintético.

Durante la investigación, el equipo también diseñó un dispositivo con tecnología electro-Fenton de cátodo dual, que tiene la capacidad de crear sinergias.Puede descomponer contaminantes orgánicos comunes con alta eficiencia y la tasa de eliminación alcanza el 99,43 % en 30 minutos.

Para las aguas residuales de la acuicultura, las aguas residuales de la pintura, las aguas residuales de la fabricación de papel y otras aguas residuales, esta tecnología también puede lograr funciones de descontaminación y purificación rápidas y eficientes.

Por lo tanto, es muy prometedor reemplazar la tecnología existente de tabletas de desinfección química y desempeñar un papel en la desinfección de la purificación del agua potable y del agua portátil al aire libre.

Según los informes, como producto químico ecológico extremadamente importante, el hidroperóxido tiene amplias perspectivas de aplicación en semiconductores, atención médica, control ambiental, química fina y otros campos.

En la actualidad, en la producción de hidroperóxidos a escala industrial, la gente utiliza principalmente un método llamado "método de antraquinona".

Tiene problemas como alto costo, operación compleja, contaminación ambiental y transporte y almacenamiento inseguros, lo que dificulta su uso en áreas silvestres y remotas.

Al utilizar el método electroquímico 2e-ORR para sintetizar hidroperóxido, no solo es fácil de operar y tiene una alta eficiencia de producción, sino que también tiene muy buena estabilidad electroquímica, lo que es especialmente adecuado para algunas aplicaciones portátiles.

Sin embargo, la mayoría de los electrocatalizadores catódicos actuales a menudo dependen de metales preciosos y materiales a base de carbono de petróleo, que no sólo tienen un suministro limitado de materia prima, sino que también generan altos costos económicos.

Sin embargo, la utilización global actual de recursos renovables de celulosa de biomasa brinda valiosas oportunidades para el desarrollo de materiales catódicos alternativos de próxima generación. Al mismo tiempo, estos materiales tienen las ventajas de bajo precio, amplio suministro, ecología y protección del medio ambiente.

Sin embargo, para los electrocatalizadores 2e derivados de biomasa existentes, no se ha logrado una eficiencia de producción de hidroperóxido satisfactoria debido a problemas tales como pocos defectos de carbono, vacantes insuficientes de oxígeno y capacidades deficientes de transferencia de electrones.

Por lo tanto, diseñar un material electrocatalítico de 2 electrones a base de biomasa que pueda usarse para sintetizar eficientemente hidroperóxidos sintetizados electroquímicamente tiene una importancia práctica importante y puede lograr importantes perspectivas de aplicación en el campo de la desinfección y la tecnología de oxidación avanzada.

(Fuente: Pequeño)

Como se mencionó anteriormente, la nanocelulosa juega un papel importante en este proyecto. La nanocelulosa de biomasa no sólo es abundante en la naturaleza, sino que también tiene características renovables.

Qian Zhiyun, estudiante de maestría del equipo, ha estado trabajando en la selección preliminar de materiales y diseño estructural desde que recibió este proyecto.

Ha hecho muchos intentos, desde celulosa en polvo del tamaño de una micra hasta celulosa regenerada disuelta y fibra de papel común, pero no ha podido lograr buenos resultados.

Posteriormente, comenzó a intentar mejorar la selectividad 2e de la nanocelulosa y aumentar el rendimiento de hidroperóxido a escala molecular y nanoescala.

La superficie de la nanocelulosa contiene una gran cantidad de grupos hidrófilos que contienen oxígeno y su área de superficie específica también es relativamente grande.

A nivel molecular, las microfibrillas o nanofibrillas de celulosa hidrófilas tienen una gran cantidad de grupos hidroxilo que contienen oxígeno y cadenas moleculares de celulosa con tamaños a nivel subnanómetro.

Basándose en las ventajas mencionadas anteriormente, se pueden funcionalizar en superficie muy fácilmente. De esta manera también se puede ajustar artificialmente la estructura funcional de la celulosa a escala nanométrica o micrométrica.

Figura | Diagrama estructural (Fuente: Pequeño)

En base a esto, mediante la coordinación de cobalto de nanocelulosa unidimensional, se puede cultivar una espuma de nanocelulosa de esqueleto de imidazol de zeolita nanoestructurada directamente alrededor de la nanocelulosa.

Al mismo tiempo, Qian Zhiyun y otros utilizaron aerogel de nanocelulosa como sustrato. Para las nanopartículas de espuma de nanocelulosa con esqueleto de zeolita imidazol, la ventaja de esto es que puede lograr un crecimiento uniforme en la superficie de la nanocelulosa.

Además, estas nanopartículas pueden lograr una interconexión estrecha, lo que garantiza la estabilidad dimensional de la estructura original y evita cualquier desprendimiento y deformación.

Gracias a esto, se pueden crear muestras de aerogel de nanocelulosa de cobalto mediante un método sencillo y de bajo coste.

Figura | Microestructura del catalizador (Fuente: Pequeño)

Posteriormente, mediante el uso de ingeniería molecular y pirólisis a alta temperatura, las muestras mencionadas anteriormente pueden generar completamente sitios activos de alta captura de oxígeno dentro de la densa estructura de la red de nanocelulosa.

En este momento, se pueden transferir electrones a lo largo del tetróxido de cobalto nanoestructurado anclado en el biocarbón unidimensional, lo que da como resultado excelentes rendimientos de hidroperóxido.

Figura | Rendimiento de la síntesis de hidroperóxido y efecto Faraday (Fuente: Small)

En general, desde la exploración inicial sin rumbo hasta el diseño de ingeniería molecular coordinada con metales, el equipo ha permitido que la nanocelulosa, un recurso de biocarbono, libere su excelente potencial.

Recientemente, se publicó en Small (IF 13) un artículo relacionado titulado "Electrosíntesis catódica escalable de H2O2 utilizando electrocatalizador de nanocelulosa coordinado con cobalto".

Figura | Artículos relacionados (Fuente: Pequeño)

Qian Zhiyun, estudiante de maestría en la Universidad Tecnológica del Sur de China, es el primer autor y el profesor Liu Detao es el autor correspondiente.

Figura | Qian Zhiyun, primer autor del artículo (Fuente: mapa de datos)

Según los informes, la síntesis electroquímica es una tecnología clave antigua pero novedosa. Es simple, eficiente, ecológica y segura, de bajo costo y fácil de ampliar, lo que muestra un valor comercial muy atractivo.

A lo largo de los años, los científicos chinos han resuelto muchos desafíos técnicos que son difíciles de superar con otros métodos mediante el desarrollo de nuevas tecnologías de síntesis electroquímica.

Muchos logros tecnológicos anteriores se han aplicado a gran escala, proporcionando nuevas soluciones a problemas técnicos comunes en la industria.

Los materiales funcionales, incluidos cátodos, ánodos, etc., son siempre el núcleo clave de la síntesis electroquímica, que hasta cierto punto determinan la eficiencia, el costo y la vida útil de la síntesis electroquímica.

Por lo tanto, el desarrollo continuo de nuevos materiales electrocatalíticos alternativos de alto rendimiento es un objetivo que los investigadores científicos han estado persiguiendo.

Por tanto, en el futuro, el equipo se centrará en la transformación de moléculas de celulosa para preparar algunos nuevos materiales 2e-ORR de alto nivel.

Para reducir costos y simplificar el proceso de preparación, también llevarán a cabo una cooperación entre la industria, la universidad y la investigación con empresas externas para implementar el documento y resolver los obstáculos en el desarrollo de la industria.

“Actualmente, muchas empresas nos han llamado y visitado buscando cooperación”, dijo el investigador.

Referencias:

1. Qian, Z., Liu, D., Liu, D., Luo, Y., Ji, W., Wang, Y., ... y Duan, Y. (2024). Electrosíntesis catódica escalable de H2O2 utilizando electrocatalizador de nanocelulosa coordinado con cobalto. Small, 2403947.

Composición tipográfica: Chu Jiashi

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