El peróxido de hidrógeno es uno de los productos domésticos más comunes y versátiles. En forma diluida, puede desinfectar heridas y decolorar el cabello, blanquear los dientes y eliminar las manchas de la ropa, limpiar lentes de contacto y matar el moho y las algas.
En altas concentraciones, peróxido de hidrógeno H 2 O 2 puede descomponerse catalíticamente en oxígeno y vapor y usarse como propulsor o como explosivo en sí mismo.
El peróxido de hidrógeno generalmente se elabora en un proceso de varios pasos que requiere mucha energía que requiere que se produzca en grandes cantidades y se envíe y almacene en una forma altamente concentrada.
Ahora un grupo de investigadores del Reino Unido y los Estados Unidos ha desarrollado un método para producir peróxido de hidrógeno bajo demanda a través de un proceso simple de un solo paso. El método permite diluir H 2 O 2 para ser hecho directamente de hidrógeno y oxígeno en pequeñas cantidades en el sitio, haciéndolo más accesible a las regiones subdesarrolladas del mundo, donde podría usarse para purificar el agua.
En un artículo publicado hoy en ciencia , la revista científica líder mundial, el grupo informó que los compuestos bimetálicos que consisten en paladio y cualquiera de los otros seis elementos pueden catalizar efectivamente la hidrogenación de oxígeno para formar peróxido de hidrógeno. El proyecto fue dirigido por Graham J. Hutchings, profesor de físicaQuímica y directora del Instituto de Catálisis de Cardiff en la Universidad de Cardiff en Gales.
Los investigadores dicen que su nuevo proceso supera un desafío de larga data para la producción catalítica de peróxido de hidrógeno, es decir, la tendencia del catalizador a descomponer rápidamente el producto en agua poco después de su fabricación.
"Usando nuestro nuevo catalizador, hemos creado un método para producir H de manera eficiente 2 O 2 bajo demanda en un proceso rápido de un solo paso ", dijo Simon J. Freakley, del Instituto de Catálisis de Cardiff, autor principal del artículo.
"Ser capaz de producir H 2 O 2 abre directamente una gran cantidad de posibilidades, especialmente en el campo de la purificación del agua [en áreas] donde el agua potable limpia y segura es muy importante "
El ciencia artículo titulado "Catalizadores de estaño y paladio para la síntesis directa de H 2 O 2 con alta selectividad ", fue coautor de otros investigadores del Instituto de Catálisis de Cardiff y de la Universidad de Lehigh en Bethlehem, Pensilvania, y el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. En Tennessee.
El artículo es el cuarto sobre el tema que los investigadores de Cardiff y Lehigh han publicado ciencia durante la última década. Los primeros tres trataron sobre los avances en la creación y el uso de un catalizador de aleación de oro y paladio; uno, publicado en 2009, analizó el potencial de ese catalizador para producir peróxido de hidrógeno de manera rápida y eficiente al tiempo que evita su descomposición.
Los nuevos catalizadores, dijo Christopher J. Kiely, se pueden hacer combinando paladio con estaño, cobalto, níquel, galio, indio o zinc, todos los cuales son más baratos que el oro. Además, el catalizador se puede hacer sin la necesidad depretrate el soporte del catalizador con ácido nítrico, que es un requisito de las aleaciones de oro y paladio.
"Los científicos han sabido durante más de un siglo que el metal de paladio puede catalizar la reacción directa de hidrógeno y oxígeno para producir peróxido de hidrógeno", dijo Kiely, profesora de ciencias de los materiales e ingeniería química y directora de la Instalación de microscopía electrónica y nanofabricación de Lehigh ".Desafortunadamente, el paladio también hidrogena o descompone rápidamente el peróxido de hidrógeno que se produce para formar agua.
"En 2009, descubrimos que las nanopartículas de oro-paladio, apoyadas en carbón activado lavado con ácido, podrían apagar la segunda reacción no deseada. Pero el oro es caro. Para que el catalizador sea industrialmente competitivo, el oro necesita ser reemplazadocon un metal más barato "
El grupo buscó un metal diferente para reemplazar el oro, dijo Kiely, y descubrió que un catalizador compuesto de paladio y estaño podría llevar a cabo la reacción para formar peróxido de hidrógeno con la misma eficacia que el catalizador de oro-paladio. Pruebas posteriores mostraron queotros cinco metales, en combinación con paladio, también funcionaron muy bien.
El grupo luego utilizó una variedad de técnicas de microscopía electrónica para comprender por qué las aleaciones de paladio causaron que el peróxido de hidrógeno que se producía se descompusiera y cómo podría evitarse esta segunda reacción. La respuesta, aprendieron, tenía que ver con variaciones en los tamaños ycomposición de las partículas de catalizador de aleación metálica.
"Cuando haces un catalizador", dijo Kiely, "siempre tiendes a generar partículas de catalizador que abarcan un rango de diferentes tamaños. Cuando medimos la composición de las partículas de oro-paladio, resultó que las partículas más grandes contenían unmucho oro, mientras que las partículas más pequeñas tenían mucho paladio. Solo las partículas de tamaño mediano tenían la composición correcta.
"Mientras que las partículas más grandes producen el peróxido de hidrógeno, las pequeñas partículas ricas en paladio convierten eficientemente el peróxido de hidrógeno en agua. Tuvimos que encontrar una manera de evitar que estas partículas más pequeñas hagan su trabajo".
El grupo depositó una mezcla de paladio y estaño sobre un soporte de dióxido de titanio TiO2 y observó que parte del estaño se extendió para formar una capa muy delgada de óxido de estaño sobre el TiO2 mientras que el resto se consumió en la fabricación de partículas de aleación de paladio y estañoLos investigadores desarrollaron un simple proceso de tratamiento térmico de tres pasos que indujo a la capa de soporte secundaria de óxido de estaño a encapsular las partículas ricas en paladio ultrapequeñas, que sirvieron para silenciar las molestas partículas y evitar que catalizasen la hidrogenación y la descomposición de las partículas.peróxido de hidrógeno.
"El tratamiento térmico indujo a la capa de óxido de estaño a arrastrarse y enterrar efectivamente las pequeñas partículas ricas en paladio e impedir que funcionen", dijo Kiely. "Más importante aún, las partículas más grandes de aleación de paladio-estaño, que generan eficientemente elel peróxido de hidrógeno no se vio afectado. Este fenómeno, que se llama interacción de soporte de metal fuerte, normalmente no es deseable. Por lo general, no se desea que las partículas metálicas se cubran con capas de óxido delgadas porque eso desactiva los catalizadores. Sin embargo,en este caso, hemos logrado utilizar el fenómeno selectivamente para desactivar solo las pequeñas partículas perjudiciales, mientras que las partículas de aleación beneficiosas más grandes están libres para hacer su trabajo ".
El grupo pasó cinco años desarrollando el catalizador de paladio-estaño y optimizando el régimen de tratamiento térmico, dijo Kiely.
"Fue un trabajo largo y difícil desarrollar el material", dijo, "pero el catalizador final resultante tiene excelentes características de rendimiento"
en el ciencia artículo, los investigadores dijeron que los catalizadores de paladio-estaño soportados en dióxido de titanio pudieron apagar la hidrogenación de H 2 O 2 y dar una selectividad general al producto deseado de más del 95 por ciento
Los investigadores analizaron los materiales del catalizador utilizando el UltraSTEM de Oak Ridge Microscopio electrónico de barrido de transmisión, que está equipado con espectroscopía de pérdida de energía de electrones EELS, junto con dos instrumentos con corrección de aberración en Lehigh: el JEOL JEM-2200FS STEM y elMicroscopio electrónico de transmisión de resolución atómica JEOL JEM-ARM200CF.
Además de Hutchings, Freakley y Kiely, los coautores de la ciencia el artículo es Qian He, Jonathan Harrhy, Li Lu, David A. Crole, David J. Morgan, Edwin N. Ntainjua, Jennifer K. Edwards, Albert F. Carley y Albina Borisevich.
Él, quien obtuvo un doctorado de Lehigh en 2012, ahora está en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Lu es un candidato actual de doctorado en Lehigh. Harrhy, Crole, Morgan, Ntainjua, Edwards y Carley están en elInstituto de Catálisis de Cardiff. Borisevich está en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Original escrito por Kurt Pfitzer. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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