Vodonik peroksid (H2O2 ) je bezbojno tečno jedinjenje sa jakim oksidacionim svojstvima koje može imati brojne industrijske i medicinske primene. Ovo jedinjenje se generalno sintetiše postupkom antrahinona, kroz koji jedinjenje antrahinon u kombinaciji sa materijalima na bazi paladijuma katalizuje oksidaciju divodonika (H2) u H2O2 sa O2 iz vazduha.
H2O2 bi takođe teoretski mogao da se sintetiše fotokatalizom, hemijskom reakcijom koja podrazumeva apsorpciju svetlosti reagujućim elementima dodavanjem katalizatora. Međutim, ovo je bilo teško pouzdano realizovati korišćenjem postojećih katalizatora, koji mogu slabo reagovati na sunčevu svetlost, zahtevati žrtvene reagense ili nisu dovoljno aktivni tokom reakcije.
Istraživači sa Univerziteta Jiangnan i Univerziteta Tsinghua nedavno su predstavili novi fotokatalizator koji bi se mogao koristiti za pouzdanu proizvodnju H2O2 samo iz H2O i O2 putem fotokatalize. Ovaj fotokatalizator, predstavljen u radu u Nature Energi, zasnovan je na samo-sastavljenom tetrakis(4-karboksifenil)porfirinu, jedinjenju koje se ponekad koristi za analizu ili uklanjanje metala.
„Proizvodnja fotokatalitičke H2O2 zahteva samo H2O, O2 i sunčevu svetlost, što se smatra obećavajućom alternativom industrijskoj metodi antrahinona“, rekao je Čengsi Pan, jedan od istraživača koji su sproveli studiju, za Tech Ksplore. „Međutim, zbog visoke Gibbsove slobodne energije od 117 kJ mol-1, većina fotokatalitičkih sistema zahteva žrtvovanje reagense (npr. EtOH, IPA) da bi generisali značajnu količinu H2O2. Naša grupa radi od 2018. na razvoju fotokatalizatora koji može kontinuirano da proizvodi H2O2 bez žrtvovanja reagensa.“
U jednom od svojih prethodnih radova, Pan i njegove kolege su testirali potencijal bizmut fosfata (BiPO 4) kao fotokatalizatora za proizvodnju H2O2. Iako su njihovi rezultati bili obećavajući, otkrili su da BiPO 4 reaguje samo na UV svetlo, što je ograničilo njegovu upotrebu i sprečilo aplikacije zasnovane na solarnoj energiji. U svojoj novoj studiji, oni su tako krenuli da procene još jedan fotokatalizator, koji se zasnivao na tetrakis (4-karboksifenil) porfirin supramolekulu (TCPP) uskog pojasa.
„Upotrebili smo samo-sastavljenu tetrakis (4-karboksifenil) porfirinsku nanolistu (SA-TCPP) da bismo postigli željenu aktivnost“, objasnio je Pan. „Ovaj materijal je pripremljen rastvaranjem komercijalnog TCPP-a u NaOH i naknadnim dodavanjem HCl. Za eksperimente sa generisanjem H2O2, određena količina SA-TCPP je dodata u staklenu bocu koja je sadržala samo vodu i O2 mehurića.”
Da bi procenili aktivnost svog fotokatalizatora, Pan i njegove kolege su ozračili staklenu bocu rastvorom na spektru vazdušne mase 1,5 (AM 1,5G) koristeći solarni simulator, a zatim je zagrejali na povišenoj temperaturi od 353 K. U početnim testovima , SA-TCPP fotokatalizator je pokazao kvantnu efikasnost blizu infracrvene talasne dužine od 1,1% na 940 nm i visoku efikasnost solarne u hemijsku konverziju od ca. 1,2%.
„Ohrabreni ovim rezultatima, procenili smo fotokatalizatore u laboratorijskom protočnom reaktoru, što je rezultiralo koncentracijom akumulacije H2O2 od oko 1,1 tež%, nivoom blizu komercijalnog (3 tež%), što je prvi primer koji proizvodi komercijalni nivo H2O2 fotokatalitičkom metodom“, rekao je Pan.
„Tada smo takođe otkrili da SA-TCPP može da izvede generisanje H2O2 kroz dvostruki put redukcije O2 i oksidacije H2O, što je jedinstvena karakteristika u poređenju sa većinom prethodno prijavljenih fotokatalizatora. Primetno, primetili smo da uvođenje -COOH može pomoći putu oksidacije H2O pretvaranjem u -CO3H grupe, koje se kasnije podvrgavaju termalnoj hidrolizi.“
Rezultati početnih testova koje je sproveo ovaj tim istraživača su veoma obećavajući, ističući vrednost njihovog predloženog fotokatalizatora za masovnu proizvodnju H2O2 korišćenjem sunčeve svetlosti. U budućnosti, njihov rad bi mogao da doprinese dizajnu drugih organskih fotokatalizatora koji mogu postići još veću solarnu efikasnost, omogućavajući nežrtvovno stvaranje H2O2.
„Sada planiramo da istražimo dve potencijalne oblasti za budući rad: integraciju našeg fotokatalizatora sa materijalima za fototermalnu konverziju i redizajn reaktora kako bi se postigla povećana količina proizvodnje izvan skale na klupi“, dodao je Pan.
„Kombinovanjem našeg fotokatalizatora sa materijalima za fototermalnu konverziju, možemo povećati njegovu lokalnu temperaturu samo kroz zračenje svetlosti, smanjujući potrebu za spoljnim izvorima toplote kao što je navedeno u našem trenutnom radu. Pored toga, cilj nam je da razvijemo skalabilan prototip uređaja za H2O2 proizvodnja sa SA-TCPP koristeći samo vazduh, H2O i sunčevu svetlost optimizovanjem dizajna reaktora i parametara reakcije.“
