Перекись водорода входит в число 100 ведущих промышленных химикатов в мире с широким спектром применения в химической, медицинской и полупроводниковой промышленности. В настоящее время перекись водорода в основном производится с помощью антрахинона, но этот процесс имеет ряд проблем, включая высокое энергопотребление, использование дорогих палладиевых катализаторов и загрязнение окружающей среды побочными продуктами. В последние годы внимание привлек экологически чистый метод получения перекиси водорода путем электрохимического восстановления кислорода с использованием недорогих углеродных катализаторов. Однако этот метод был ограничен высокой стоимостью впрыска газообразного кислорода высокой чистоты и практическими ограничениями, заключающимися в том, что полученная перекись водорода в основном производится в нестабильной среде основного электролита.

Чтобы преодолеть это ограничение, группа исследователей во главе с доктором Чон Мин Кимом из Центра исследований экстремальных материалов Корейского института науки и технологий (KIST), доктором Санг Рок О из Центра вычислительной науки, доктором Санг Су Ханом из Центра вычислительной науки, профессором Кван Хён Ли из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) и доктором Джунхи Муном. Корейский институт фундаментальных наук (KBSI) разработал высокоэффективный мезопористый катализатор, который может эффективно производить перекись водорода даже в среде подачи воздуха с низкой концентрацией кислорода и нейтральными электролитами путем введения мезопор в углеродный катализатор.

Команда синтезировала углерод, легированный бором, с мезопорами размером около 20 нанометров (нм) путем реакции с парниковым газом углекислым газом (CO₂), мощным восстановителем боргидридом натрия (NaBH₄) и частицами мезокарбоната кальция (CaCO₃) с последующим селективным удалением частиц карбоната кальция. Использование его в качестве катализатора для электрохимического получения перекиси водорода в экспериментах и расчетах показали, что криволинейные поверхностные характеристики, образуемые мезопорами, обеспечивают отличную каталитическую активность даже в нейтральных электролитных средах, где реакции получения перекиси водорода затруднены. Кроме того, рамановский анализ в реальном времени подтвердил, что мезопористая структура способствует плавному переносу кислорода в качестве реагента, что позволяет поддерживать высокую каталитическую активность даже в воздушной среде с концентрацией кислорода всего около 20%.

Основываясь на этих выводах, команда продемонстрировала, что легированные бором мезопористые углеродные катализаторы при применении в реакторе массового производства перекиси водорода могут достичь эффективности производства перекиси водорода мирового класса более 80% в условиях, близких к коммерческим, с подачей нейтрального электролита и воздуха и плотностью тока в промышленных масштабах (200 мА/см²). В частности, команде удалось получить растворы перекиси водорода с концентрацией 3,6%, что превышает концентрацию медицинской перекиси водорода (3%), что предполагает возможность коммерциализации.

«Технология мезопористого углеродного катализатора, которая использует кислород из воздуха, которым мы дышим, для производства перекиси водорода из нейтрального электролита, более практична, чем обычные катализаторы, и ускорит индустриализацию», — сказал доктор Джонг Мин Ким из KIST.

###

KIST был основан в 1966 году как первый научно-исследовательский институт в Корее, финансируемый правительством. В настоящее время KIST стремится решать национальные и социальные проблемы и обеспечивать двигатели роста с помощью ведущих инновационных исследований. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите веб-сайт KIST по адресу https://www.kist.re.kr/eng/index.do

Это исследование было поддержано Министерством науки и ИКТ (министр Ю Сан Им) в рамках крупного проекта KIST и отличного нового исследовательского проекта (2N74120), проекта развития технологии наноматериалов (2N76070) и проекта поддержки ведущего исследовательского центра (NRF-2022R1A5A1033719). Результаты исследования опубликованы в свежем номере международного журнала Advanced Materials (IF 27.4, поле JCR 1.94%).