Rendere più efficiente la produzione sostenibile di perossido di idrogeno
Un gruppo di ricerca ha individuato un metodo ottimizzato per produrre perossido di idrogeno in modo più sostenibile
Annunci
Il perossido di idrogeno (H₂O₂) è una materia prima chimica versatile, la cui produzione industriale si basa prevalentemente su un processo ad alto consumo energetico con un impatto ambientale significativo. Un’alternativa consiste nel produrlo utilizzando un catalizzatore attivato dalla luce. Nell’ambito di un progetto di ricerca internazionale che ha coinvolto l’Istituto Max Planck per i colloidi e le interfacce, i ricercatori hanno ora sviluppato una strategia di sintesi che consente di controllare con precisione la disposizione spaziale degli ioni in un nitruro di carbonio. Il fotocatalizzatore così ottenuto è tre volte più efficiente rispetto ai metodi di produzione ecologici convenzionali. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
Anna Lo Presti e Christian Mark Pelicano stanno lavorando al fotocatalizzatore in laboratorio.
© MPIKG/Neubauer
Il perossido di idrogeno è un agente ossidante ecocompatibile. Quando si decompone, produce solo acqua e ossigeno, motivo per cui è noto anche come «sostanza chimica verde». Con l’aumentare della domanda, in particolare per il trattamento ecocompatibile delle acque reflue e per la disinfezione domestica e medica, i volumi di produzione continuano a crescere.
Per soddisfare tale domanda, il perossido di idrogeno viene ancora prodotto prevalentemente mediante il cosiddetto processo all’antrachinone, che comporta elevati costi energetici e presenta un’impronta di carbonio significativa. La fotocatalisi rappresenta un’alternativa promettente. In questo processo, un materiale assorbe la luce e ne utilizza l’energia per innescare una reazione chimica senza ricorrere a fonti energetiche fossili. L’efficienza della reazione dipende, tra l’altro, dalla facilità con cui le cariche generate dalla luce possono muoversi attraverso il materiale e dal tempo per cui rimangono disponibili per innescare la reazione.
Il gruppo di ricerca ha quindi studiato come queste proprietà potessero essere influenzate già in fase di assemblaggio chimico del fotocatalizzatore. «Anziché modificare la composizione chimica di un fotocatalizzatore per renderlo più efficiente, abbiamo cercato di modificare la disposizione dei suoi elementi costitutivi», spiega l’autore corrispondente, il dott. Christian M. Pelicano, che guida il gruppo di ricerca “SunThesis” presso l’Istituto Max Planck di Potsdam e si occupa di questo argomento dal 2023.
A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato cocristalli ionici organico-inorganici. Questi consentono di prevedere con precisione come si distribuiranno gli ioni durante la conversione termica dei cristalli nel materiale finale. Utilizzando questo approccio, il team ha sviluppato un materiale denominato “CALiK”. Si tratta di un nitruro di carbonio cristallino appartenente alla classe dei materiali poli-eptazina-immidi (PHI) e contenente ioni di litio e potassio in un ambiente spazialmente controllato.
«Questi cristalli erano già noti, ma siamo stati i primi a utilizzarli come precursori per i nitruri di carbonio. Ciò che ha attirato il nostro interesse è stato il fatto che contengono gli stessi componenti chimici dei precursori che utilizziamo normalmente. La differenza fondamentale è che gli ioni sono già disposti in modo specifico, e ci siamo chiesti se questa disposizione potesse essere trasferita al materiale a base di nitruro di carbonio», afferma Pelicano.
Nei metodi di produzione convenzionali, questi ioni vengono solitamente introdotti nel materiale in modo disordinato, utilizzando un sale fuso. Ciò offre solo un controllo limitato sulla loro distribuzione spaziale. Esperimenti comparativi con materiali prodotti con altri metodi hanno aiutato il team a comprendere l’influenza della strategia di sintesi scelta, indipendentemente dalla sola composizione chimica.
Una disposizione definita degli ioni migliora le prestazioni fotocatalitiche
Nelle condizioni testate, CALiK ha prodotto circa tre volte più perossido di idrogeno rispetto al materiale di confronto preparato in modo convenzionale, il KPHI, e circa il 40 per cento in più rispetto al materiale con le migliori prestazioni testato, che conteneva un solo tipo di catione, il CALi. Quando irradiato con luce a una lunghezza d’onda di 410 nanometri, il CALiK ha raggiunto una resa quantica apparente del 58 per cento, la più alta tra i catalizzatori confrontati. Questa misura descrive in che misura i fotoni di luce utili vengono convertiti in elettroni per entrare nella reazione chimica.
«La disposizione spaziale degli ioni nel materiale ottimizzato fa una differenza considerevole», afferma la prima autrice Anna Lo Presti, chimica che sta svolgendo il dottorato di ricerca su questo argomento presso l’Istituto Max Planck. «Siamo riusciti a dimostrare per la prima volta che non conta solo il tipo o la quantità di ioni, ma anche la loro posizione nel reticolo».
Per indagare sul motivo del miglioramento delle prestazioni, i ricercatori hanno combinato analisi strutturali con misurazioni spettroscopiche ed elettrochimiche. Hanno scoperto che le cariche generate dalla luce si separano in modo più efficace nel CALiK e, di conseguenza, rimangono disponibili per la reazione con l’ossigeno più a lungo. Ulteriori calcoli suggeriscono che la distribuzione spaziale degli ioni di litio modifichi l’ambiente elettronico all’interno del materiale, facilitando così l’attivazione dell’ossigeno. Va tuttavia sottolineato che i calcoli si basano su strutture modello semplificate e pertanto non rendono ancora pienamente conto dei processi che avvengono nel materiale reale. Ciononostante, lo studio offre un approccio interessante e intuitivo per ottimizzare i fotocatalizzatori polimerici già durante la loro sintesi.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
