Las botellas de peróxido de hidrógeno diluido se encuentran en los estantes de los botiquines de todo el mundo, sin embargo, sintetizar el producto químico a gran escala requiere un proceso sorprendentemente complicado que es económicamente inviable para todas las instalaciones industriales, excepto algunas.
Los químicos e ingenieros han estado trabajando durante mucho tiempo en enfoques más simples. Un desafío significativo puede ser estabilizar el peróxido de hidrógeno una vez que se forma, porque los rendimientos están limitados por la propensión de la molécula a descomponerse sobre los mismos materiales utilizados para su síntesis.
Los ingenieros químicos y biológicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto una nueva visión de cómo se descompone el compuesto. Este avance, publicado esta primavera en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias , podría informar estrategias eficientes y rentables de un solo paso para producir peróxido de hidrógeno.
Los consumidores buscan peróxido de hidrógeno altamente diluido para limpiar pequeños cortes y raspaduras, pero la sustancia química también podría ser útil para numerosos procesos industriales tan diferentes como la fabricación de cojines de asiento de espuma flexibles o productos químicos precursores para retardantes de llama.
Aunque la mayoría de las aplicaciones solo requerirían soluciones diluidas de peróxido de hidrógeno, los métodos de producción dependen de las pocas instalaciones grandes capaces de sintetizar grandes volúmenes de productos químicos altamente concentrados. Esto requiere transportar soluciones concentradas de peróxido de hidrógeno a largas distancias hasta el usuario final, que viene congasto significativo
"Una reacción de un solo recipiente permitiría la producción in situ y convertiría al peróxido de hidrógeno en un oxidante económicamente factible para una serie de procesos químicos, en particular para reemplazar oxidantes más dañinos para el medio ambiente como el cloro", dice Tony Plauck, un estudiante de doctorado eningeniería química y biológica en UW-Madison y primer autor del estudio.
Los científicos propusieron por primera vez un procedimiento de un solo paso para sintetizar peróxido de hidrógeno en 1914, combinando hidrógeno puro y gases de oxígeno sobre un material llamado catalizador, que acelera la reacción química al reducir las barreras energéticas que impiden que los componentes se combinen, pero no lo haceen sí se transforma.
Desafortunadamente, a medida que más y más del producto final de peróxido de hidrógeno se acumula en el recipiente que contiene la mezcla, el catalizador también puede facilitar una reacción química indeseable posterior en la que el peróxido de hidrógeno se descompone en gas oxígeno y agua en un proceso llamado descomposición.
"Uno de los mayores desafíos catalíticos es encontrar un material que pueda producir activamente peróxido de hidrógeno, pero también algo inactivo para descomponer el peróxido de hidrógeno, que es una reacción termodinámicamente favorable", dice Plauck.
Algunos de los materiales más ampliamente estudiados para la síntesis directa de peróxido de hidrógeno son catalizadores a base de paladio. Muchos investigadores investigan cómo el hidrógeno y el oxígeno se unen y reaccionan químicamente en las regiones de la superficie del catalizador llamadas sitios activos. Pero el paladio también puede catalizar la reacción de descomposición, por lo que el peróxido de hidrógeno producido en estas condiciones tiende a descomponerse rápidamente.
"Los catalizadores de paladio típicos existen como pequeñas nanopartículas de paladio altamente dispersas, que contienen una variedad de características de la superficie que pueden variar en su capacidad de descomponer el peróxido de hidrógeno", dice Plauck. "Si entendemos dónde y cómo se descompone principalmente el peróxido de hidrógeno,puede proponer algunos criterios de diseño para futuras iteraciones de catalizadores de paladio "
Los asesores de Plauck en el proyecto, los profesores de ingeniería química y biológica Manos Mavrikakis y James Dumesic, son expertos en enfoques teóricos y experimentales en catálisis. Su experiencia en las técnicas computacionales, como el modelado microcinético y la teoría funcional de la densidad, permitieroninvestigadores para describir la reacción de descomposición observada experimentalmente con precisión y detalles sin precedentes.
"El peróxido de hidrógeno se prepara actualmente mediante un proceso altamente contaminante", dice Mavrikakis. "Estas ideas abren nuevas vías para la síntesis directa de un químico que, entre otros, se necesita en grandes volúmenes para la industria del lavado de ropa y blanqueo de papel".
Los investigadores utilizaron modelos computacionales para investigar diferentes características de la superficie de las nanopartículas de paladio que pueden ser responsables de la descomposición del peróxido de hidrógeno. Según los modelos teóricos, predijeron parámetros de la reacción observables experimentalmente, como la velocidad de descomposición del peróxido de hidrógeno. Luegolos investigadores hicieron esas mediciones experimentales y revisaron varios aspectos de sus modelos hasta que las predicciones teóricas coincidieran con los experimentos.
En última instancia, sus resultados sugirieron que las múltiples características de la superficie de las nanopartículas de paladio pueden contribuir significativamente a la actividad general de descomposición del peróxido de hidrógeno de estos catalizadores. Además, los modelos proporcionaron información detallada sobre cómo se podría suprimir la reacción de descomposición en el paladio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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