Новый катализатор KIST: «зелёный» пероксид водорода станет доступнее

Корейский институт науки и технологий (KIST) сообщает о разработке высокоэффективного углеродного катализатора для производства экологически чистого пероксида водорода. Особенностью инновации является способность эффективно функционировать даже в условиях низкой концентрации кислорода и в нейтральных электролитах. Это достигается благодаря внедрению мезопор в структуру углеродного катализатора.

Данное открытие решает проблему высокой стоимости производства «зелёного» пероксида водорода, которая ранее была связана с необходимостью использования высокочистого кислорода. Пероксид водорода широко применяется в химической, медицинской и полупроводниковой промышленности, и входит в топ-100 важнейших промышленных химикатов.

Традиционный антрахиноновый процесс производства пероксида водорода, имеет ряд недостатков: высокое энергопотребление, использование дорогостоящих палладиевых катализаторов и образование побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Альтернативный метод электрохимического восстановления кислорода с использованием недорогих углеродных катализаторов, набирающий популярность в последнее время, был ограничен необходимостью подачи высокочистого кислорода и нестабильностью процесса в щелочной среде.

Команда KIST синтезировала углерод, легированный бором, с мезопорами размером около 20 нанометров. Для этого был использован парниковый газ диоксид углерода (CO₂), сильный восстановитель боргидрид натрия (NaBH₄) и мезоразмерные частицы карбоната кальция (CaCO₃), которые затем были селективно удалены. Эксперименты и расчеты показали, что изогнутая поверхность мезопор обеспечивает превосходную каталитическую активность нового материала даже в нейтральных электролитах, где реакции образования пероксида водорода затруднены.

Анализ в реальном времени подтвердил, что мезопористая структура облегчает перенос кислорода, позволяя поддерживать высокую каталитическую активность даже в воздушной среде с концентрацией кислорода всего около 20%. Новый углеродный катализатор, примененный в реакторе для массового производства пероксида водорода, продемонстрировал эффективность свыше 80% в условиях, близких к промышленным: нейтральный электролит, подача воздуха и промышленная плотность тока (200 мА/см²).

Ученым удалось получить раствор пероксида водорода с концентрацией 3,6%, что превышает концентрацию медицинского пероксида водорода (3%), что, в свою очередь, указывает на возможность коммерциализации разработки. KIST отмечает, что технология мезопористых углеродных катализаторов, использующая кислород из воздуха для производства пероксида водорода из нейтрального электролита, является более практичной, чем обычные катализаторы, и ускорит индустриализацию.

Дальнейшие исследования в этой области могут быть сосредоточены на оптимизации структуры и состава катализатора для повышения его эффективности, стабильности и снижения стоимости. Кроме того, перспективным направлением является интеграция этой технологии в промышленные установки, такие как крупномасштабные реакторы, для решения проблем коммерческого производства пероксида водорода.