Пероксид водорода (H2O2) является промышленно важным химическим веществом с разнообразным применением. Однако традиционный метод производства H2O2 является энергоемким и приводит к значительным выбросам.

В качестве средства достижения устойчивого развития ученые пытаются синтезировать H2O2 электрохимическим путем. Это можно сделать с помощью реакции восстановления кислорода, катализируемой одним кобальт-азот-углеродным (Co-N-C) катализатором. Однако создание точной атомной структуры катализатора было непростой задачей.

Теперь международная группа исследователей теоретически разработала катализатор Co-N-C с уникальной структурой для высокопроизводительного электрохимического синтеза H2O2. Группа успешно подтвердила свое предсказание после экспериментальной реализации синтеза, анализа его характеристик и проведения каталитических испытаний.

Подробная информация о результатах исследования была опубликована в журнале Energy & Environmental Science.

"До настоящего времени поиск катализатора осуществлялся на основе исчерпывающих экспериментов методом проб и ошибок", - говорит Хао Ли, доцент Института передовых исследований материалов Университета Тохоку (WPI-AIMR) и соответствующий автор статьи. "Наше открытие показало, что исследования, основанные на теории, могут предоставить точные рекомендации по проектированию каталитических экспериментов, экономя время, деньги и человеческие ресурсы".

В состав группы вошли исследователи из Японии, Австралии, Канады и Китая. В частности, Ли и его коллега и соавтор Ли Вэй получили поддержку от Сиднейского университета в рамках международной программы SDG-Collaboration Program - программы, способствующей международному сотрудничеству в области исследований, связанных с ЦУР, между Сиднейским университетом и другими университетами.

Чтобы решить проблему H2O2, исследователи создали гетерогенный молекулярный катализатор из порфиринов кобальта, абсорбированных на подложке из углеродных нанотрубок. Их первоначальные расчеты показали, что β-заместители порфирина и углеродная подложка могут синергетически модулировать свойства Co и каталитическую активность.

Далее они предсказали оптимальность октафторзамещенного катализатора и подтвердили свои прогнозы экспериментально, показав селективность по H2O2 >94% и высокую частоту оборота 3,51 в секунду при оверпотенциале 200 милливольт в кислом электролите. Кроме того, он достиг максимальной производительности H2O2 10,76 мольH2O2 гкат-1ч-1 в двухэлектродном электролизере, обеспечивая получение чистых растворов H2O2, которые могут быть использованы непосредственно для очистки воды и химического производства.

Заглядывая в будущее, Ли надеется разработать новые катализаторы Co-N-C. "Настраивая тип металлического центра и их координационную среду, а также проводя обширные испытания на эффективность и стабильность, мы надеемся открыть больше металлов-N-C для использования в различных видах электрокатализа".