Der Schlüssel zu saubererem Wasser
Pitt-, Drexel- und Brookhaven-Ingenieure lösen das Rätsel "Katalyse vs. Korrosion" bei der elektrochemischen Ozonerzeugung
Forscher der University of Pittsburgh und der Drexel University in Philadelphia arbeiten zusammen mit dem Brookhaven National Laboratory an der Lösung eines mehrteiligen Rätsels, um die Wasserdesinfektion nachhaltiger zu gestalten.
Eine Darstellung der elektrischen Ozonproduktion und die Untersuchung dessen, was wirklich auf molekularer Ebene geschieht.
John Keith
Skalierbare Technologien zur elektrochemischen Ozonerzeugung (EOP) zur Desinfektion von verschmutztem Wasser könnten eines Tages die heute in modernen Städten oder abgelegenen Dörfern verwendeten zentralen Chlorbehandlungen ersetzen. Allerdings weiß man bisher nur wenig über EOP auf molekularer Ebene und darüber, wie Technologien, die dies ermöglichen, effizient, wirtschaftlich und nachhaltig gestaltet werden können.
Ihre Forschungsarbeit mit dem Titel "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production" wurde kürzlich in der Zeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht. Hauptautor ist der Drexel-Doktorand Rayan Alaufey, an der Arbeit beteiligt sind die Co-PI Maureen Tang, außerordentliche Professorin für Chemie- und Bioingenieurwesen, der Postdoktorand Andrew Lindsay, die Doktorandin Tana Siboonruang und Ezra Wood, außerordentlicher Professor für Chemie; Co-PI John A. Keith, außerordentlicher Professor für Chemie- und Erdöltechnik, und die Doktorandin Lingyan Zhao von der Pitt University sowie Qin Wu von Brookhaven.
"Seit dem19. Jahrhundert verwenden die Menschen Chlor zur Trinkwasseraufbereitung, aber heute verstehen wir besser, dass Chlor nicht immer die beste Option ist. EOP beispielsweise kann direkt im Wasser Ozon erzeugen, ein Molekül mit etwa der gleichen Desinfektionskraft wie Chlor. Im Gegensatz zu Chlor, das im Wasser stabil verbleibt, zerfällt Ozon im Wasser nach etwa 20 Minuten auf natürliche Weise, was bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, Menschen zu schädigen, wenn sie Wasser aus dem Wasserhahn trinken, in einem Schwimmbad schwimmen oder Wunden in einem Krankenhaus reinigen", erklärte Keith, der auch R.K. Mellon Faculty Fellow in Energy an der Swanson School of Engineering von Pitt ist.
"EOP für eine nachhaltige Desinfektion wäre in einigen Märkten sehr sinnvoll, aber dazu braucht man einen ausreichend guten Katalysator, und da noch niemand einen ausreichend guten EOP-Katalysator gefunden hat, ist EOP für eine breite Anwendung zu teuer und energieintensiv. Meine Kollegen und ich dachten, wenn wir auf atomarer Ebene entschlüsseln könnten, warum ein mittelmäßiger EOP-Katalysator funktioniert, könnten wir vielleicht einen noch besseren EOP-Katalysator entwickeln."
Die Entschlüsselung der Funktionsweise von EOP-Katalysatoren ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung eines der vielversprechendsten und am wenigsten toxischen EOP-Katalysatoren, die bisher bekannt sind: nickel- und antimondotiertes Zinnoxid (Ni/Sb-SnO2, oder NATO).
Darin, so Keith, liegt das Rätsel: Welche Rolle spielen die einzelnen Atome in NATO für die EOP? Wird Ozon katalytisch so gebildet, wie wir es wollen, oder entsteht es, weil sich der Katalysator zersetzt, und es muss in Zukunft daran gearbeitet werden, die NATO-Katalysatoren stabiler zu machen?
Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass es sich wahrscheinlich um eine Mischung aus beidem handelt.
Mithilfe experimenteller elektrochemischer Analysen, Massenspektrometrie und computergestützter quantenchemischer Modellierung erstellten die Forscher eine "Geschichte auf atomarer Ebene", um zu erklären, wie Ozon auf NATO-Elektrokatalysatoren entsteht. Zum ersten Mal stellten sie fest, dass ein Teil des Nickels in der NATO wahrscheinlich durch Korrosion aus den Elektroden ausgelaugt wird, und diese Nickelatome, die nun in der Lösung in der Nähe des Katalysators schwimmen, können chemische Reaktionen fördern, die schließlich Ozon erzeugen.
"Wenn wir einen besseren Elektrokatalysator herstellen wollen, müssen wir verstehen, welche Teile funktionieren und welche nicht. Faktoren wie die Auslaugung von Metallionen, Korrosion und Reaktionen in der Lösungsphase können den Anschein erwecken, dass ein Katalysator auf eine bestimmte Weise funktioniert, während er in Wirklichkeit auf eine andere Weise arbeitet."
Keith wies darauf hin, dass die Ermittlung des Vorkommens von Korrosion und chemischen Reaktionen, die außerhalb des Katalysators stattfinden, wichtige Schritte sind, die geklärt werden müssen, bevor andere Forscher Verbesserungen an EOP und anderen elektrokatalytischen Verfahren vornehmen können. In ihrer Schlussfolgerung stellen sie fest, dass "die Identifizierung oder Widerlegung des Vorhandenseins solcher grundlegender technologischer Beschränkungen für alle zukünftigen Anwendungen von EOP und anderen fortschrittlichen elektrochemischen Oxidationsprozessen entscheidend sein wird".
"Wir wissen, dass die elektrochemische Wasseraufbereitung in kleinem Maßstab funktioniert, aber die Entdeckung besserer Katalysatoren wird sie auf eine globale Ebene heben. Der nächste Schritt besteht darin, neue Atomkombinationen in Materialien zu finden, die korrosionsbeständiger sind und gleichzeitig eine wirtschaftlich und nachhaltig tragfähige EOP ermöglichen", so Keith.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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