Ilmuwan Memecahkan Misteri Elektrokimia “Katalisis vs Korosi”.

Insinyur dari Pitt, Drexel, dan Brookhaven telah memecahkan misteri “katalisis vs. korosi” dalam produksi ozon elektrokimia.

Para peneliti dari Universitas Pittsburgh, Universitas Drexel di Philadelphia, dan Laboratorium Nasional Brookhaven berkolaborasi untuk mengungkap misteri kompleks yang bertujuan membuat perawatan disinfeksi air menjadi lebih berkelanjutan.

Teknologi produksi ozon elektrokimia (Electrochemical Ozone Production/EOP) yang terukur untuk mendisinfeksi air kotor suatu hari nanti mungkin akan menggantikan pengolahan klorin terpusat yang digunakan saat ini, baik di kota-kota modern maupun di desa-desa terpencil. Namun, masih sedikit yang memahami tentang EOP pada tingkat molekuler dan bagaimana teknologi yang memungkinkannya dapat dibuat efisien, ekonomis, dan berkelanjutan.

Penelitian mereka dipublikasikan baru-baru ini di jurnal katalisis ACS. Penulis utama adalah mahasiswa PhD Drexel Rayan Alaufey, dengan peneliti yang berkontribusi dari Drexel, termasuk co-PI Maureen Tang, profesor teknik kimia dan biologi, peneliti pascadoktoral Andrew Lindsay, mahasiswa PhD Tana Siboonruang, dan Ezra Wood, profesor kimia; co-PI John A. Keith, profesor teknik kimia dan perminyakan, dan mahasiswa pascasarjana Lingyan Zhao dari Pitt; dan Qin Wu dari Brookhaven.

Keunggulan Ozon Dibandingkan Klorin

“Orang-orang telah menggunakan klorin untuk mengolah air minum sejak abad ke-19^th abad ini, namun saat ini kita lebih memahami bahwa klorin tidak selalu merupakan pilihan terbaik. EOP misalnya dapat menghasilkan ozon, sebuah molekul dengan kekuatan desinfektan yang hampir sama dengan klorin, langsung di dalam air. Berbeda dengan klorin yang stabil di air, ozon di air terurai secara alami setelah sekitar 20 menit, sehingga kecil kemungkinannya membahayakan manusia jika dikonsumsi dari air keran, saat berenang di kolam, atau saat membersihkan luka di rumah sakit, ujarnya. menjelaskan. Keith, yang juga merupakan Anggota Fakultas Energi RK Mellon di Pitt's Swanson School of Engineering.

“EOP untuk desinfeksi berkelanjutan akan sangat masuk akal di beberapa pasar, namun memerlukan katalis yang cukup baik, dan karena belum ada yang menemukan katalis EOP yang cukup baik, EOP terlalu mahal dan boros energi untuk digunakan secara lebih luas. Saya dan rekan-rekan saya berpikir jika kita dapat memecahkan kode pada tingkat atom apa yang membuat katalis EOP biasa-biasa saja bekerja, mungkin kita dapat merekayasa katalis EOP yang lebih baik lagi.”

Menyelidiki Kemanjuran Katalis NATO

Memecahkan misteri cara kerja katalis EOP sangat penting untuk memahami cara merekayasa dengan lebih baik salah satu katalis EOP yang paling menjanjikan dan paling tidak beracun yang diketahui hingga saat ini: oksida timah yang didoping nikel dan antimon (Ni/Sb–SnO2, atau NATO).

Di sinilah, kata Keith, letak teka-tekinya: apa itu atomPeran apa yang dimainkan NATO untuk membantu EOP? Apakah ozon terbentuk secara katalitik sesuai dengan keinginan kita, atau terbentuk karena katalis tersebut rusak, dan upaya di masa depan perlu dilakukan untuk membuat katalis NATO lebih stabil?

Representasi produksi listrik ozon dan penyelidikan tentang apa yang sebenarnya terjadi pada tingkat molekuler. Kredit: John Keith

Yang mengejutkan, para peneliti menemukan bahwa hal tersebut mungkin merupakan campuran keduanya.

Dengan menggunakan analisis elektrokimia eksperimental, spektrometri massa, dan pemodelan kimia kuantum komputasi, para peneliti menciptakan “alur cerita skala atom” untuk menjelaskan bagaimana ozon dihasilkan dalam elektrokatalis NATO. Untuk pertama kalinya, mereka mengidentifikasi bahwa beberapa nikel di NATO mungkin lepas dari elektroda melalui korosi, dan atom nikel ini, yang sekarang mengambang dalam larutan di dekat katalis, dapat memicu reaksi kimia yang pada akhirnya menghasilkan ozon.

“Jika kita ingin membuat elektrokatalis yang lebih baik, kita perlu memahami bagian mana yang berfungsi dan tidak. Faktor-faktor seperti pencucian ion logam, korosi, dan reaksi fase larutan dapat memberikan kesan bahwa katalis bekerja dengan cara tertentu padahal sebenarnya katalis bekerja dengan cara lain.”

Keith mencatat bahwa mengidentifikasi prevalensi korosi dan reaksi kimia yang terjadi di luar katalis merupakan langkah penting yang perlu diklarifikasi sebelum peneliti lain dapat melakukan perbaikan pada EOP dan proses elektrokatalitik lainnya. Dalam kesimpulannya, mereka mencatat bahwa “Mengidentifikasi atau menyangkal adanya kendala teknologi yang mendasar akan sangat penting untuk penerapan EOP di masa depan dan proses oksidasi elektrokimia canggih lainnya.”

“Kita tahu bahwa pengolahan air elektrokimia hanya berhasil dalam skala kecil, namun penemuan katalis yang lebih baik akan memperluasnya ke skala global. “Langkah selanjutnya adalah menemukan kombinasi atom baru pada material yang lebih tahan terhadap korosi namun juga mendorong EOP yang ekonomis dan berkelanjutan,” kata Keith.

Referensi: “Interaksi antara Katalis Korosi dan Spesies Oksigen Reaktif Homogen dalam Produksi Ozon Elektrokimia” oleh Rayan Alaufey, Lingyan Zhao, Andrew Lindsay, Tana Siboonruang, Qin Wu, John A. Keith, Ezra Wood dan Maureen Tang, 18 April 2024, katalisis ACS.
DOI: 10.1021/acscatal.4c01317

Studi ini didanai oleh US National Science Foundation.