تولید پراکسید هیدروژن ارزان‌تر با کاتالیست نانویی

محققان مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) موفق به توسعه کاتالیزور کربنی مزومتخلخل شده‌اند که می‌تواند در شرایطی با غلظت کم اکسیژن و در الکترولیت خنثی، پراکسید هیدروژن را با راندمان بالا تولید کند. این پیشرفت می‌تواند به تولید پراکسید هیدروژن به روشی پایدار و مقرون‌به‌صرفه کمک کند.

کد خبر: ۷۸۷۲۶۲

تاریخ: ۱۷ فروردين ۱۴۰۴ - ۰۹:۱۲

به گزارش روز یکشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد توسعه ویژه فناوری نانو، پراکسید هیدروژن یکی از ۱۰۰ ماده شیمیایی پرکاربرد صنعتی در جهان است که در صنایع شیمیایی، پزشکی و نیمه‌هادی‌ها به‌طور گسترده استفاده می‌شود. اکنون این ماده عمدتاً از طریق فرآیند آنتراکینون تولید می‌شود که به دلیل مصرف بالای انرژی، نیاز به استفاده از کاتالیزورهای گران‌قیمت پالادیم و ایجاد آلاینده‌های محیط‌زیستی، مشکلاتی را به همراه دارد.

در سال‌های اخیر، تولید پراکسید هیدروژن از طریق کاهش الکتروشیمیایی اکسیژن با استفاده از کاتالیزورهای کربنی ارزان‌قیمت به‌عنوان یک روش دوستدار محیط‌زیست مطرح شده است. با این‌ حال، این روش به دلیل هزینه بالای تزریق اکسیژن خالص و محدودیت‌های عملی در محیط‌های الکترولیتی ناپایدار، با چالش‌هایی مواجه بوده است.

برای غلبه بر این چالش، تیم تحقیقاتی به سرپرستی جونگ مین کیم از KIST، سانگ روک اوه و سانگ سو هان از مرکز علوم محاسباتی، کوانگ هیونگ لی از مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST) و جون هی مون از مؤسسه علوم پایه کره (KBSI)، موفق به طراحی و سنتز کاتالیزور کربنی مزومتخلخل تقویت‌شده با بور شدند. این کاتالیزور جدید از طریق واکنش بین دی‌اکسید کربن (CO₂)، ماده احیاکننده قوی سدیم بورهیدرید (NaBH₄) و ذرات کربنات کلسیم (CaCO₃) در ابعاد مزو تهیه شد و سپس با حذف انتخابی کربنات کلسیم، ساختار متخلخل آن شکل گرفت.

آزمایش‌ها و محاسبات نشان داد که سطح منحنی ایجاد شده توسط این مزوحفره‌ها باعث بهبود فعالیت کاتالیستی در محیط‌های الکترولیتی خنثی می‌شود، جایی که واکنش‌های تولید پراکسید هیدروژن دشوارتر هستند. همچنین، تجزیه‌وتحلیل طیف‌سنجی رامان در زمان واقعی تأیید کرد که این ساختار مزومتخلخل انتقال اکسیژن را تسهیل کرده و فعالیت کاتالیستی را حتی در محیطی با تنها ۲۰ درصد اکسیژن حفظ می‌کند.

نتایج این تحقیق نشان داد که کاتالیزورهای کربنی مزومتخلخل دوپ‌شده با بور، در یک راکتور تولید انبوه پراکسید هیدروژن، توانستند در شرایط نزدیک به مقیاس تجاری، بازدهی بیش از ۸۰ درصد را در الکترولیت خنثی و جریان صنعتی (۲۰۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع) به دست آورند. همچنین، این تیم موفق به تولید محلول‌های پراکسید هیدروژن با غلظت ۳.۶ درصد شد که از غلظت پراکسید هیدروژن پزشکی (۳ درصد) نیز فراتر رفته و امکان تجاری‌سازی این فناوری را تقویت می‌کند.

جونگ مین کیم از KIST در این‌باره اظهار داشت: فناوری کاتالیزور کربنی مزومتخلخل که از اکسیژن موجود در هوای تنفسی ما برای تولید پراکسید هیدروژن از یک الکترولیت خنثی استفاده می‌کند، نسبت به کاتالیزورهای متداول کاربردی‌تر بوده و مسیر صنعتی‌سازی این فرایند را تسریع خواهد کرد.