Uso di batterie per produrre perossido di idrogeno dall'aria per applicazioni industriali
"Questo metodo è molto sostenibile, conveniente e molto efficiente dal punto di vista energetico"
Il perossido di idrogeno (H2O2) è utilizzato, tra l'altro, come agente sbiancante, disinfettante e ossidante. Tuttavia, la produzione industriale di H2O2 è costosa e consuma molta energia, poiché nel processo di produzione vengono utilizzati catalizzatori metallici rari e preziosi. I ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno sviluppato una strategia di produzione alternativa di H2O2 in loco, in grado di abbattere anche inquinanti industriali come i coloranti tossici.
Rappresentazione schematica del funzionamento di una batteria Zn-aria e della decomposizione del colorante
AJB lab, IISc
Gli scienziati hanno utilizzato una batteria zinco-aria in cui l'H2O2 viene prodotto attraverso la riduzione dell'ossigeno. "Lo zinco è un elemento abbondante e storicamente utilizzato... è molto economico e abbondante in India", afferma Aninda J Bhattacharyya, professore presso il Centro interdisciplinare per la ricerca sull'energia (ICER) e il Dipartimento di chimica strutturale e dello stato solido (SSCU) e autore corrispondente dello studio pubblicato su Small Methods.
Una batteria metallo-aria ha un metallo come lo zinco come anodo (elettrodo negativo) e l'aria ambiente come catodo (elettrodo positivo). Quando la batteria si scarica - cioè rilascia energia - l'ossigeno dell'aria ambiente viene ridotto al catodo, producendo H2O2.
La riduzione elettrochimica dell'ossigeno avviene in due modi, uno dei quali porta alla formazione di H2O2. "La strategia consiste nel controllare l'entità della reazione di riduzione dell'ossigeno. Se non la si controlla in qualche misura, si trasforma semplicemente in acqua", spiega Bhattacharyya.
Questo controllo può essere ottenuto con catalizzatori speciali. "Usiamo un catalizzatore a base di carbonio privo di metalli", spiega Asutosh Behera, primo autore e dottorando presso la SSCU. Questi catalizzatori poco costosi normalmente guidano la reazione lungo il percorso di formazione dell'acqua, con una minore selettività verso l'H2O2. Tuttavia, quando vengono apportate alcune modifiche chimiche a questi catalizzatori, come l'aggiunta di gruppi funzionali di ossigeno, la selettività della reazione è orientata verso la formazione di H2O2.
Bhattacharyya spiega che l'uso di una batteria per produrre direttamente H2O2 è un approccio nuovo. "Non è necessario fare altre cose. Si ha una batteria e la si fa funzionare. Abbiamo limitato la tensione in modo che produca solo H2O2 ".
Un altro vantaggio dell'uso delle batterie è che, oltre alle reazioni chimiche, esse generano o immagazzinano anche energia elettrica. "Quindi non solo produciamo H2O2, ma immagazziniamo anche energia, poiché la reazione avviene all'interno della cellula", aggiunge Bhattacharyya.
L'H2O2 prodotto deve essere rilevato perché è incolore. Questo può essere fatto aggiungendo un colorante, un inquinante tossico prodotto nell'industria tessile. Quando l'H2O2vieneprodotto , reagisce con il colorante, scomponendolo e cambiandone il colore. "L'H2O2prodottosi scompone ulteriormente in vari radicali (come l'idrossido e il superossido) - specie organiche altamente reattive - che alla fine degradano il colorante tessile", spiega Behera. Questa degradazione contribuisce ad aumentare l'efficienza della produzione di H2O2 e a eliminare il colorante tossico.
"Ci sono alcune sfide fondamentali che devono essere superate", osserva Bhattacharyya. Ad esempio, una batteria metallo-aria è composta da tre fasi: solida (zinco), liquida (elettrolita) e gassosa (aria). Questo la rende più difficile da gestire rispetto alla maggior parte delle batterie con due sole fasi.
Nonostante queste sfide, i ricercatori sono convinti che la strategia sia scalabile e che siano possibili anche altre applicazioni, come la generazione di energia in luoghi remoti. "Questo metodo è molto sostenibile, economico e molto efficiente dal punto di vista energetico", afferma Bhattacharyya.
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