Rosnące w zawrotnym tempie zapotrzebowanie na energię, ograniczone zasoby paliw kopalnych i zanieczyszczenia spowodowane przez przemysł energetyczny stawiają naukowcom wyzwania takie jak poszukiwanie nowych, opłacalnych i ekologicznych rozwiązań do produkcji energii. Spośród różnych metod produkcji energii, wykorzystanie elektrochemicznych metod wytwarzania związków chemicznych na pierwszy rzut oka nie wydaje się mieć ogromnego potencjału do zastosowania w sektorze energetycznym - czytamy w komunikacie Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Jednym z obiecujących związków jest jednak cząsteczka nadtlenku wodoru (H2O2) o silnych właściwościach utleniających i wybielających. Dostępna niemal wszędzie w stosunkowo niskich stężeniach - np. 3-6 proc. - H2O2 wykorzystywana była głównie do zastosowań antyseptycznych takich jak dezynfekcja skóry. Pomimo, że obecnie nie zaleca się używania H2O2 do przemywania skaleczeń, związek cieszy się ogromną popularnością. Nadal jest szeroko stosowany w przemyśle celulozowym, papierniczym i tekstylnym jako środek utleniający oraz jako bezzapachowy substytut chloru w oczyszczaniu ścieków i wody pitnej.

Jest też stosowany jako jedno z paliw napędzających rakiety, satelity i torpedy. Może być również wykorzystany jako paliwo lub utleniacz do ogniw paliwowych, chociaż jego masowa produkcja jest daleka od zrównoważonej i ekologicznej. Wymaga ona wielu chemikaliów szkodliwych dla zdrowia i środowiska naturalnego. Dlatego też poszukuje się nowych metod wytwarzania H2O2 - informuje IChF PAN.

Ostatnio, naukowcy z tego Instytutu pod kierunkiem prof. Marcina Opałło we współpracy z prof. Hubertem H. Girault z Politechniki w Lozannie Ecole Polytechnique Federale de Lausanne przedstawili szczegółowe badania nad wytwarzaniem nadtlenku wodoru poprzez redukcję ditlenu na granicy dwóch niemieszających się cieczy.

Pierwsza z nich - czytamy w prasowym komunikacie - to wodny roztwór kwasu, a druga to niemieszająca się z wodą ciecz składająca się wyłącznie z jonów, tzw. ciecz jonowa. Badacze porównali swoje dane z tymi uzyskanymi na granicy faz z rozpuszczalnikami molekularnymi o znacznie mniejszej lepkości, a uzyskane wyniki stanowią znaczącą część pracy doktorskiej pierwszej autorki publikacji, obecnie dr Justyny Kalisz.

"Naukowcy wskazali, że badanie wpływu rozpuszczalnika na wydajność reakcji może pomóc w lepszym poznaniu mechanizmu wytwarzania H2O2. Porównując dane dla granic faz ciecz-ciecz wytworzonych z udziałem trzynastu cieczy jonowych i trzech rozpuszczalników molekularnych o lepkości różniącej się o trzy rzędy wielkości doszli do wniosku, że to nie transport reagentów, ale kinetyka redukcji ditlenu limituje szybkość reakcji. Odkryli również, że kierunek międzyfazowego ruchu jonów towarzyszącego przeniesieniu elektronów z donora rozpuszczonego w fazie olejowej jest inny w przypadku cieczy jonowych i rozpuszczalników molekularnych" - informuje IChF PAN.

„W tej pracy wykazaliśmy, że rodzaj cieczy jonowej wpływa na szybkość redukcji O2 do H2O2 na granicy faz olej-woda. Wytwarzanie H2O2 jest bardziej wydajne, gdy ciecz jonowa zawiera mniej hydrofobowe kationy – twierdzi prof. Opałło, cytowany w komunikacie. - Pokazaliśmy również, że zastosowanie pasty przygotowanej z proszku węglowego i cieczy jonowej jako fazy olejowej pozwala na elektrochemiczną regenerację donora elektronów co zwiększa wydajność reakcji międzyfazowej”.

Generowanie nadtlenku wodoru badano za pomocą skaningowej mikroskopii elektrochemicznej (SECM). Technika ta pozwala na określenie lokalnego stężenia produktu elektroaktywnego reakcji zachodzącej na granicy faz, w tym przypadku H2O2. W tej metodzie rejestrowany jest prąd elektroutleniania H2O2 na elektrodzie o średnicy dziesiątek mikronów poruszającej się prostopadle do granicy faz. Wydajność reakcji szacowano na podstawie zależności prądu od odległości od granicy faz ciecz-ciecz.

Prof. Opałło zauważa: „Na podstawie danych SECM stwierdziliśmy, że proces jest kontrolowany przez kinetykę reakcji redukcji tlenu. Co ważne, duża lepkość cieczy jonowych pozwala na zastosowanie pasty przygotowanej z proszku węglowego i cieczy jonowej jako fazy olejowej do elektrochemicznej regeneracji donora elektronów w celu zwiększenia wydajności reakcji międzyfazowej”.

Badanie opisane w czasopiśmie ChemPhysChem (DOI: 10.1002/cphc.202100219) ujawnia złożoność reakcji na granicy faz ciecz-ciecz. W przeciwieństwie do granicy faz elektroda-roztwór badany układ jest samoregenerujący i trudno go zanieczyścić. Choć do komercyjnego zastosowania granicy faz ciecz-ciecz do wytwarzania chemikaliów jest wciąż daleka droga, to może mieć ono świetlaną przyszłość - przewidują specjaliści IChF PAN.

Badania były realizowane w ramach grantu szwajcarskiego “Electrocatalysis at Droplets”.