Un photocatalyseur capable de produire du peroxyde d’hydrogène à partir d’oxygène et d’eau

Peroxyde d’hydrogène (H₂une₂) est un composé liquide incolore avec de fortes propriétés oxydantes qui peut avoir de nombreuses applications industrielles et médicales. Ce composé est généralement synthétisé par le procédé à l’anthraquinone, par lequel un complexe d’anthraquinone avec des matériaux à base de palladium catalyse l’oxydation du dihydrogène (H₂) à H₂une₂ avec O₂ Depuis les airs.

h₂une₂ Il pourrait aussi théoriquement être synthétisé par photocatalyse, qui est une réaction chimique qui implique l’absorption de la lumière en faisant réagir des éléments par l’ajout de catalyseurs. Cependant, cela a été difficile à réaliser de manière fiable avec les catalyseurs existants, qui peuvent mal répondre à la lumière du soleil, nécessiter des réactifs sacrificiels ou ne pas être suffisamment actifs pendant la réaction.

Des chercheurs de l’Université Jiangnan et de l’Université Tsinghua ont récemment présenté un nouveau photocatalyseur qui peut être utilisé pour produire H de manière fiable.₂une₂ à partir de H uniquement₂O et O₂ grâce à la photocatalyse. Ce photocatalyseur, présenté dans l’article de énergie naturelleà base de tétrakis (4-carboxyphényl) porphyrine auto-synthétisée, un composé parfois utilisé pour hydrolyser ou éliminer les minéraux.

Photocatalytique H₂une₂ La production ne nécessite que H₂Ouais, ouais₂ Et la lumière du soleil, qui est considérée comme une alternative prometteuse à la méthode synthétique à l’anthraquinone », a déclaré à Tech Xplore Chengsi Pan, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. Cependant, en raison de l’énergie libre de Gibbs plus élevée de 117 kJ mol^-1la plupart des systèmes photocatalytiques nécessitent des réactifs sacrificiels (par exemple, EtOH, IPA) pour générer H₂une₂. Depuis 2018, notre groupe développe un photocatalyseur capable de produire de l’H en continu₂une₂ Sans réactifs sacrificiels.

dans une de leurs oeuvres précédentesPan et ses collègues ont testé le potentiel du phosphate de bismuth (BiPO).₄) comme photocatalyseur pour la production de H.₂une₂. Alors que leurs résultats étaient prometteurs, ils ont découvert que BiPO₄ Il ne répondait qu’à la lumière UV, ce qui limitait son utilisation et empêchait les applications solaires. Dans leur nouvelle étude, ils ont entrepris d’évaluer un autre photocatalyseur, qui était basé sur la porphyrine superparticulaire à bande interdite étroite (4-carboxyphényl) porphyrine (TCPP).

« Nous avons utilisé une nanoplaque de porphyrine quaternaire (4-carboxyphényl) auto-assemblée (SA-TCPP) pour obtenir l’activité souhaitée », a expliqué Pan. Ce matériau a été préparé en dissolvant du TCPP en vrac commercial dans du NaOH, puis en ajoutant de l’acide chlorhydrique₂une₂ Expériences de génération, une certaine quantité de SA-TCPP a été ajoutée à une bouteille en verre contenant uniquement de l’eau et de l’O₂ bouillonnant. »

Pour évaluer l’activité de leur photocatalyseur, Pan et ses collègues ont irradié la bouteille avec la solution à 1,5 spectre de masse d’air (AM 1,5G) à l’aide d’un simulateur solaire, puis l’ont chauffée à des températures élevées de 353 K lors de tests préliminaires. , le photocatalyseur SA-TCPP a montré une efficacité quantique de longueur d’onde proche infrarouge de 1,1% à 940 nm et une efficacité de conversion solaire-chimique élevée d’env. 1,2 %.

Encouragés par ces résultats, nous avons évalué des photocatalyseurs dans un réacteur à flux de laboratoire, ce qui a abouti à₂une₂ concentration d’accumulation d’env. 1,1% en poids, un niveau proche du commercial (3% en poids), et est le premier exemple produisant un niveau commercial de H₂une₂ par méthode photocatalytique.

Nous avons alors également découvert que SA-TCPP peut effectuer H₂une₂ Génération par une double voie d’O₂ Réduction et H.₂O oxydation, une propriété unique par rapport à la plupart des photocatalyseurs signalés précédemment. De manière significative, nous avons observé que l’introduction de -COOH peut aider H.₂Voie d’oxydation de l’O par conversion en -CO₃groupes H, qui subissent ensuite une hydrolyse thermique.

Les résultats des tests préliminaires de cette équipe de chercheurs sont très prometteurs, soulignant la valeur du photocatalyseur proposé pour une production à grande échelle.₂une₂ en utilisant la lumière du soleil. À l’avenir, leurs travaux pourraient guider la conception d’autres photocatalyseurs organiques capables d’atteindre des rendements solaires plus élevés, permettant la génération non sacrificielle de H.₂une₂.

« Nous prévoyons maintenant d’explorer deux domaines potentiels pour les travaux futurs : l’intégration de notre photocatalyseur avec des matériaux de conversion photothermique et la reconception du réacteur pour obtenir une augmentation du volume de production au-delà de la portée des travaux », a ajouté Pan.

« En combinant notre photocatalyseur avec des matériaux de conversion photothermique, nous pouvons augmenter la température locale uniquement par irradiation lumineuse, réduisant ainsi le besoin de sources de chaleur externes, comme indiqué dans notre article actuel. De plus, nous visons à développer un prototype de dispositif H.₂une₂ Production avec SA-TCPP utilisant uniquement de l’air, H₂O et la lumière du soleil en optimisant la conception du réacteur et les paramètres de réaction.