2021年2月10日
科学家在莱斯大学我们已经开发出一种“有缺陷”的催化剂，使氧气合成过氧化氢变得简单。
莱斯大学的科学家们已经将等离子体处理的炭黑作为一种简单而高效的催化剂用于生产过氧化氢。碳中产生的缺陷提供了更多的催化位点来将氧还原为过氧化氢。图片来源:旅游集团/雅可布森研究集团。
研究人员使用氧等离子体处理无金属炭黑——石油生产的粉末状产品。通过这个过程，缺陷和含氧基团被引入到碳粒子的结构中，从而为相互作用打开更多的表面积。yabo214
当被称为CB-Plasma的缺陷粒子用作yabo214催化剂时，它们以100%的法拉第效率将氧气还原为过氧化氢。法拉第效率是电化学反应中电荷转移的量度。
研究人员说，这种新工艺有可能取代以蒽醌为基础的复杂生产技术，后者需要高成本的催化剂，并产生有毒的有机副产品和大量废水。
Rice化学家James Tour和材料理论家Boris Yakobson的这项研亚博网站下载究发表在ACS催化，美国化学学会杂志。
过氧化氢不仅广泛用作消毒剂，而且还用于废水处理、造纸和制浆工业以及化学氧化。图尔希望新工艺将对未来过氧化氢催化剂的设计产生影响。
这里概述的电化学过程不需要金属催化剂，这将降低成本并使整个过程简单得多。适当的碳结构工程可以提供适当的活性位点，在保持O-O键的同时减少氧分子，因此过氧化氢是唯一的产物。此外，无金属设计有助于防止过氧化氢分解。
詹姆斯·图尔，莱斯大学化学家
等离子体处理有助于在炭黑粒子中形成缺陷，这些缺陷看起来像材料原子晶格中的五或七元环。yabo214有时，这一过程会消除足够多的原子，从而在晶格中形成空位。
催化剂的作用是从氧中去除两个电子，从而使其与两个氢电子结合生成过氧化氢。（当氧气被四个电子还原时，这是燃料电池的一个过程，水作为副产品产生。）
对过氧化氢而不是水的选择性不是源于炭黑本身，而是(共同主要作者和Rice研究生)秦坤Li的计算表明，来自等离子体处理产生的特定缺陷。这些催化缺陷位点有利于形成过氧化氢的关键中间体的键合，降低了反应障碍，加速了理想的结果。
Boris Yakobson，莱亚博网站下载斯大学材料理论家
在图尔的实验室，炭黑也用紫外线臭氧处理，CB等离子体在氧气还原后用氩处理，以消除大多数含氧基团。
根据实验室的说法，尽管CB-UV在催化性能上并不比普通炭黑好，但CB-Arg的催化性能与CB等离子体一样，具有更广泛的电化学电位范围。
由于大部分的氧基在高温氩气中暴露于cbplasma时被消除，实验室得出结论，碳缺陷本身就是催化还原为过氧化氢的原因。
这一过程的简单性质可以使更多的有用化学品在当地生产，从而减少从集中式工厂运输化学品的需要。据图尔介绍，CB-Plasma的效率与目前用于生产过氧化氢的最先进材料相当。亚博网站下载
这种方法比目前的方法容易得多，而且非常简单，即使是很小的装置也可以用于在需要的地方生成过氧化氢。
詹姆斯·图尔，莱斯大学化学家
这是赖斯最近几个月推出的第二个提高过氧化氢生产效率的工艺。水稻化学和生物分子工程师王浩田和他的实验室发明了一种基于氧化碳纳米颗粒的催化剂，该催化剂可从空气、水和阳光中产生化学物质。
莱斯大学研究生王哲(音译)是这项研究的主要作者之一。该研究的其他合著者包括莱斯大学校友张晨浩;研究生程志华、陈伟银和Emily McHugh;和本科生罗伯特·卡特。
Tour是T.T.和W.F. Chao化学讲座教授，也是计算机科学、材料科学和纳米工程教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录雅可布森是卡尔·f·哈塞尔曼材料科学和纳米工程教授和化学教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录
这项研究得到了空军科学研究办公室和海军研究办公室的支持。
期刊参考：
重击,Z。等。(2021)无金属炭黑用100%法拉第效率产生过氧化氢。ACS催化。doi.org/10.1021/acscatal.0c04735。
来源:https://www.rice.edu/