Mechanizm syntezy nadtlenku wodoru na palladzie

Żródło:engineering.illinois.edu

Chlor jest składnikiem wielu procesów przemysłowych, dzięki którym powstają choćby takie elementy codziennego życia jak papier czy poliuretanowe siedzenia samochodów. Z jednej strony chlor umożliwia powstawanie silnych wiązań między cząsteczkami, co jest wykorzystywane w syntezie użytecznych człowiekowi produktów, ale z drugiej strony uwolniony w postaci chloroformu i dioksyn może stanowić istotne niebezpieczeństwo dla środowiska. W celu przeciwdziałania ewentualnemu zagrożeniu dla środowiska, badacze odkryli, że alternatywą dla chloru może być nadtlenek wodoru (H2O2). Problemem związanym ze stosowaniem H2O2 są jednak wysokie koszty jego syntezy oraz transportu. Kilka ośrodków na Świecie rozpoczęło produkcję H2O2, ale jednocześnie w tych samych ośrodkach prowadzona jest produkcja poliuretanów co znacznie obniża koszty transportu i zmniejsza negatywny wpływ produkcji na środowisko. Na takie rozwiązanie stać jednak tylko duże przedsiębiorstwa.

Badania naukowców z Illinois być może umożliwią stosowanie H2O2 także przez mniejsze przedsiębiorstwa. Wszystko za sprawą nowego podejścia do syntezy tego związku z wodoru i tlenu, a więc metody, której mechanizm jest słabo poznany. Badania profesora Dawida Flahert'ego oraz studenta Neila Wilsona z Uniwersytetu w Illinois pokazały nowy mechanizm syntezy H2O2 z wodoru i tlenu na klastrze palladu, który pełni rolę katalizatora. Jak zaznaczają autorzy badań przyjęty mechanizm bezpośredniej syntezy H2O2 opierał się na fakcie, iż atomy wodoru i tlenu wiążą się obok siebie na powierzchni katalizatora, po czym zaczynają ze sobą reagować. Mechanizm ten jest zbyt uproszczony i nie oddaje dokładnie tego jak wygląda on w rzeczywistości. Aby lepiej zrozumieć, ten mechanizm, naukowcy spędzili rok nad budową reaktora, który umożliwiał dostrajanie procedur eksperymentalnych, a następnie zbierali i analizowali dane na temat szybkości reakcji. W efekcie swojej pracy badacze ukazali pełen obraz mechanizmu syntezy H2O2. Zamiast wzajemnego reagowania ze sobą na powierzchni katalizatora (klastru palladu), atomy wodoru dysocjują na komponenty-protony i elektrony. Następnie protony wchodzą do otaczającego roztworu wody i metanolu, a elektrony płyną przez klaster palladu do cząsteczek tlenu. Tlen na powierzchni palladu reaguje zarówno z protonami jak i elektronami tworząc H2O2.

Dzięki pracy amerykańskich naukowców, obraz syntezy H2O2 jest pełniejszy. Wcześniej nie zauważono, że tlen na powierzchni reaguje ze związkami w fazie ciekłej, oraz że powstawanie H2O2 przez bezpośrednią syntezę jest silnym wpływem samego roztworu. Powyższe badania są punktem wyjścia do projektowania użytecznych w produkcji H2O2 nowych katalizatorów, w tym np. palladu i złota.

(pj)