El acceso limitado al agua limpia es un problema importante para miles de millones de personas en el mundo en desarrollo, donde las fuentes de agua a menudo están contaminadas con desechos urbanos, industriales y agrícolas. Muchos organismos causantes de enfermedades y contaminantes orgánicos pueden eliminarse rápidamente del agua usando hidrógenoperóxido sin dejar ningún químico residual dañino. Sin embargo, producir y distribuir peróxido de hidrógeno es un desafío en muchas partes del mundo.
Ahora los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han creado un pequeño dispositivo para la producción de peróxido de hidrógeno que podría funcionar con fuentes de energía renovables, como los paneles solares convencionales.
"La idea es desarrollar una célula electroquímica que genere peróxido de hidrógeno a partir de oxígeno y agua en el sitio, y luego usar ese peróxido de hidrógeno en el agua subterránea para oxidar contaminantes orgánicos que son perjudiciales para la ingestión de los humanos", dijo Chris Hahn, asociado de SLACcientífico del personal
Sus resultados fueron reportados el 1 de marzo en Química e ingeniería de reacción .
El proyecto fue una colaboración entre tres grupos de investigación en el Centro SUNCAT de Ciencia de Interfaz y Catálisis, que es administrado conjuntamente por SLAC y la Universidad de Stanford.
"La mayoría de los proyectos aquí en SUNCAT siguen un camino similar", dijo Zhihua Bill Chen, un estudiante graduado en el grupo de Tom Jaramillo, profesor asociado en SLAC y Stanford ". Comienzan a partir de predicciones basadas en la teoría,pasar al desarrollo del catalizador y, finalmente, producir un prototipo de dispositivo con una aplicación práctica "
trabajo en equipo
En este caso, los investigadores del grupo de teoría dirigido por el profesor de SLAC / Stanford, Jens Nørskov, utilizaron modelos computacionales, a escala atómica, para investigar catalizadores basados en carbono capaces de reducir el costo y aumentar la eficiencia de la producción de peróxido de hidrógeno. Su estudioreveló que la mayoría de los defectos en estos materiales son naturalmente selectivos para generar peróxido de hidrógeno, y algunos también son altamente activos. Dado que los defectos pueden formarse naturalmente en los materiales a base de carbono durante el proceso de crecimiento, el hallazgo clave fue hacer un material con la mayor cantidad dedefectos como sea posible
"Mi catalizador anterior para esta reacción usó platino, que es demasiado caro para la purificación de agua descentralizada", dijo el ingeniero de investigación Samira Siahrostami. "Lo bueno de nuestro material a base de carbono más barato es que tiene una gran cantidad de defectos que sonsitios activos para catalizar la producción de peróxido de hidrógeno "
Shucheng Chen, estudiante de posgrado de Stanford, que trabaja con el profesor Zhenan Bao de Stanford, luego preparó los catalizadores de carbono y midió sus propiedades. Con la ayuda de los científicos del personal de SSRL Dennis Nordlund y Dimosthenis Sokaras, estos catalizadores también se caracterizaron usando rayos X en SLAC'sFuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford SSRL, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Dependemos de nuestros experimentos en SSRL para comprender mejor la estructura de nuestro material y verificar que tenía los defectos correctos", dijo Shucheng Chen.
Finalmente, le pasó el catalizador a su compañero de cuarto Bill Chen, quien diseñó, construyó y probó su dispositivo.
"Nuestro dispositivo tiene tres compartimentos", explicó Bill Chen. "En la primera cámara, el gas oxígeno fluye a través de la cámara, interactúa con el catalizador fabricado por Shucheng y se reduce a peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno luego ingresa a la cámara central,donde se almacena en una solución ". En una tercera cámara, otro catalizador convierte el agua en gas oxígeno, y el ciclo comienza de nuevo.
La separación de los dos catalizadores con una cámara intermedia hace que el dispositivo sea más barato, más simple y más robusto que separarlos con una membrana semipermeable estándar, que puede ser atacada y degradada por el peróxido de hidrógeno.
El dispositivo también puede funcionar con fuentes de energía renovables disponibles en las aldeas. La celda electroquímica es esencialmente un circuito eléctrico que funciona con un pequeño voltaje aplicado a través de ella. La reacción en la cámara uno pone electrones en oxígeno para producir peróxido de hidrógeno, que está equilibradopor una reacción contraria en la cámara tres que toma electrones del agua para producir oxígeno, haciendo coincidir la corriente y completando el circuito. Dado que el dispositivo requiere solo aproximadamente 1.7 voltios aplicados entre los catalizadores, puede funcionar con una batería o dos paneles solares estándar.
El futuro
Los grupos de investigación ahora están trabajando en un dispositivo de mayor capacidad.
Actualmente, la cámara intermedia contiene solo unos 10 microlitros de peróxido de hidrógeno; quieren agrandarla. También están tratando de hacer circular continuamente el líquido en la cámara intermedia para bombear rápidamente el peróxido de hidrógeno, por lo que el tamaño de la cámara de almacenamientoya no limita la producción.
También les gustaría producir peróxido de hidrógeno en concentraciones más altas. Sin embargo, solo se necesitan unos pocos miligramos para tratar un litro de agua, y el prototipo actual ya produce una concentración suficiente, que es una décima parte de la concentración del peróxido de hidrógenoque compra en la tienda para sus necesidades médicas básicas.
A largo plazo, el equipo quiere cambiar el ambiente alcalino dentro de la celda a uno neutral que sea más parecido al agua. Esto facilitaría el uso de las personas, ya que el peróxido de hidrógeno podría mezclarse directamente con agua potable sin tener quepara neutralizarlo primero.
Los miembros del equipo están entusiasmados con sus resultados y sienten que están en el camino correcto para desarrollar un dispositivo práctico.
"Actualmente es solo un prototipo, pero personalmente creo que brillará en el área de la purificación de agua descentralizada para el mundo en desarrollo", dijo Bill Chen. "Es como una caja mágica. Espero que se convierta en realidad".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Original escrito por Jennifer Huber. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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