A nova integração do campo magnético aumenta a produção de peróxido de hidrogênio verde

Os pesquisadores alcançaram um avanço na melhoria da eficiência de uma reação eletroquímica que produz peróxido de hidrogênio – um produto químico important para aplicações industriais, incluindo desinfecção, branqueamento e tratamento de esgoto. Esta reação, chamada reação de redução de oxigênio (ORR), foi melhorada com o desenvolvimento de uma nova classe de catalisadores moleculares heterogêneos com um campo magnético integrado. A pesquisa é publicado em Materiais Avançados.

Os métodos convencionais de produção de peróxido de hidrogênio (H₂Ó₂) têm desvantagens infelizes. O processo consome muita energia e o produto closing concentrado é difícil de transportar com segurança. Para resolver esses problemas, a equipe de pesquisa procurou um método eletroquímico que não só fosse mais eficiente, mas também ecologicamente correto.

A equipe de pesquisa projetou um novo catalisador ancorando moléculas de ftalocianina de cobalto (CoPc) em negro de fumo (CB) e, em seguida, integrando-o com nanopartículas magnéticas (Magazine) protegidas por polímero. Esta estrutura única permite a manipulação eficaz do estado de spin do cobalto websites ativosmelhorando significativamente o desempenho catalítico.

Os pesquisadores descobriram que o catalisador CoPc/CB-Magazine alcançou um notável H₂Ó₂ eficiência de produção de 90%. Notavelmente, o catalisador requer apenas quantidades mínimas de materiais magnéticos – até sete ordens de grandeza menos do que as abordagens anteriores – tornando-o mais seguro e prático para aplicações em larga escala.

“Nossa abordagem de campo magnético integrado pode mudar o centro do cobalto do estado de baixo spin para o estado de alto spin sem modificar seu estado. estrutura atômica“, disse Di Zhang, do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais (WPI-AIMR), “Essa transição de rotação melhora drasticamente as atividades intrínsecas do catalisador tanto na redução de oxigênio quanto nas reações de evolução.”

Para compreender o mecanismo basic por trás deste novo catalisador, a equipe usou uma técnica chamada cálculos abrangentes da teoria do funcional da densidade (DFT). Compreender por que e como funciona é importante para estudos futuros. “Descobrimos que o sítio Co de alto spin exibe uma ligação mais forte com intermediários contendo oxigênio, o que é essential para uma catálise eficiente”, explicou o professor associado Hao Li, “A polarização do spin induzida pelo campo magnético também facilita transferência de elétrons e transições de spin durante as etapas de reação, aumentando a cinética catalítica.”

“A combinação de resultados experimentais e insights teóricos fornece uma imagem abrangente de como os campos magnéticos podem melhorar o desempenho catalítico”, acrescentou Li, “Isso pode servir como orientação ao projetar novos catalisadores no futuro.”

As descobertas poderiam levar ao design racional de materiais catalíticos ativos, visando caminhos mais eficientes e ecológicos para produzir peróxido de hidrogênio e outros produtos químicos de valor acrescentado, contribuindo para os esforços globais em processos industriais sustentáveis ​​e tecnologias energéticas neutras em carbono.