10 решений суда, которые изменили индустрию видеоигр
Sep 21, 202312 признаков того, что у вас поддельная маска N95, KN95 или KF94
Nov 16, 202313 лучших чистящих средств для секс-игрушек 2023 года по мнению экспертов
May 19, 2023Honda Odyssey Touring Elite Long 2011 года
Nov 02, 20232016 Хонда Пилот Лонг
Nov 05, 2023Электрохимическое восстановление кислорода до перекиси водорода с практическими скоростями в сильнокислых средах.
Nature Communications, том 13, номер статьи: 2880 (2022) Цитировать эту статью
11 тысяч доступов
33 цитаты
9 Альтметрика
Подробности о метриках
Электрохимическое восстановление кислорода до пероксида водорода (H2O2) в кислых средах, особенно в реакторах сборки электродов с протонообменной мембраной (ПЭМ), страдает от низкой селективности и отсутствия недорогих катализаторов. Здесь мы представляем катионно-регулируемый метод межфазной инженерии для повышения селективности H2O2 (более 80%) при промышленно важных скоростях генерации (более 400 мА см-2) в сильнокислых средах с использованием только катализатора из сажи и небольшого количества щелочных металлов. катионов, что представляет собой 25-кратное улучшение по сравнению с показателем без катионных добавок. Наше моделирование теории функционала плотности предполагает «экранирующий эффект» катионов щелочных металлов, которые выдавливают протоны на границе раздела катализатор/электролит и, таким образом, предотвращают дальнейшее восстановление образующегося H2O2 до воды. Реактор с твердым электролитом с двойным PEM был дополнительно разработан для реализации непрерывного, селективного (~90%) и стабильного (более 500 часов) получения H2O2 путем реализации этого катионного эффекта для практических применений.
Перекись водорода (H2O2) входит в десятку самых энергоемких химических веществ по результатам исследования возможностей химического производства, проведенного Управлением перспективных производств Министерства энергетики1. В настоящее время его производят в промышленных масштабах с помощью энергоемкого и трудоемкого процесса циклического антрахинона2,3,4, который потребляет типичную энергию первичного тока ~13 000 БТЕ/фунт (8,1 кВтч/кг) без учета сырья H2/O21. Электрохимический синтез H2O2 посредством реакции восстановления кислорода 2e- (2e-–ORR), при которой молекула O2 электрохимически восстанавливается до H2O2 по двухэлектронному (2e-) пути, представляет собой многообещающую энергоэффективную альтернативу с низким уровнем отходов2. 3,4,5,6,7. Недавние усилия были в основном сосредоточены на разработке катализаторов в щелочных растворах, в которых небольшое перенапряжение и высокую селективность 2e--ORR по отношению к H2O2 было сравнительно легко достичь на недорогих материалах, таких как углерод8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18. Однако в щелочных растворах H2O2 депротонируется (pKa > 11) и легко разлагается19. Более того, для практических электролизеров, таких как мембранно-электродная сборка (МЭА), катализаторы, разработанные в щелочных растворах, необходимо наносить на анионообменную мембрану (АЕМ), которая обычно не так стабильна, как ее аналог протонообменной мембраны (ПЭМ), например , Нафион4, специально эксплуатируемый под воздухом. Кроме того, благодаря более сильной окислительной способности в кислоте кислый раствор H2O2 имеет более широкий спектр применения и большую потребность6,20, что сильно мотивирует исследования по высокопроизводительной электрохимической генерации H2O2 в кислых средах.
До сих пор известно лишь несколько катализаторов на основе благородных металлов, включая катализаторы на основе Pt и Pd, которые продемонстрировали свою селективность и стабильность в отношении 2e--ORR в сильных кислотах21,22,23,24, но их высокая стоимость и токсичность. тяжелых металлов (в случае сплава PtHg22,23) может ограничить их применение в крупномасштабном производстве H2O2. Некоторые недорогие катализаторы, такие как углеродные материалы, также могут демонстрировать хорошую селективность по H2O2 в кислотах в небольших областях перенапряжения и небольшой плотности тока (обычно менее 10 мА см–2)25,26,27,28,29, но их селективность по H2O2 и стабильность резко падала, когда достигался промышленный ток5,27,30. В кислых средах углеродные катализаторы демонстрируют вялую кинетику ORR и обычно требуют большого перенапряжения (>300 мВ) для инициирования реакции ORR, и, следовательно, для обеспечения высокой плотности тока требуется большое отрицательное катодное перенапряжение26,27,28,29. Хотя углеродная поверхность по своей природе может предпочитать путь 2e--ORR из-за их относительно слабого связывания с промежуточными соединениями кислорода, как было продемонстрировано несколькими предыдущими исследованиями26,27,30,31, такой отрицательный перенапряжение может еще больше подтолкнуть реакцию ORR вплоть до H2O. со значительно сниженной селективностью по H2O2 и производительностью, особенно в кислотах. Это связано с тем, что при отрицательных потенциалах в кислотах на поверхности катализатора накапливаются концентрированные протоны, которые склонны к дальнейшему восстановлению локально генерируемых молекул H2O2 до H2O (H2O2 + 2e− + 2H+ = 2H2O). Таким образом, разбавление локальной концентрации протонов и минимизация электрохимической диссоциации исходного H2O2 до H2O может быть одной из многообещающих стратегий для решения этой дилеммы селективности H2O2 и активности, а также обеспечения промышленной скорости производства H2O2 в кислом растворе при сохранении хорошей селективности H2O232. 33 (рис. 1).