由新南威爾士大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的澳大利亞研究人員已使用澳大利亞同步加速器來了解先進(jìn)催化材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)如何對(duì)其穩(wěn)定性和效率作出貢獻(xiàn)。該方法具有以成本有效的方式生產(chǎn)過氧化氫(H2O2)的潛力，對(duì)環(huán)境的危害較小。

過氧化氫是一種重要的化學(xué)物質(zhì)，已廣泛用于包括廢水處理，消毒，紙/紙漿漂白，半導(dǎo)體清潔，采礦和金屬加工，燃料電池以及化學(xué)合成在內(nèi)的各種應(yīng)用中。

根據(jù)國際市場(chǎng)研究組織IMARC的數(shù)據(jù)，2017年全球過氧化氫市場(chǎng)規(guī)模為40億美元，并且還在不斷增長(zhǎng)。

當(dāng)前的生產(chǎn)方法依賴于大型化工廠，其中在反應(yīng)循環(huán)中使用氫，大氣中的氧氣和蒽醌衍生物，這是昂貴的，需要高能量消耗并且不環(huán)保。

另一種方法是基于酸中氧氣的電化學(xué)還原(氧氣還原反應(yīng))，可以在環(huán)境條件下進(jìn)行而無有害副產(chǎn)物。

但是，在酸中生產(chǎn)過氧化氫的最先進(jìn)的催化劑僅限于貴金屬，鉑和鈀。

使用過渡金屬鐵，鎳和鈷的其他嘗試導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和性能不佳。

在發(fā)表于《自然通訊》上的這項(xiàng)研究中，研究人員通過用鈷和氮摻雜碳納米管以在基底上形成單原子催化劑來重建材料的表面，以穩(wěn)定氮配位的金屬中心。

在澳大利亞同步加速器上使用軟X射線進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有助于闡明并確認(rèn)該結(jié)構(gòu)如何促進(jìn)產(chǎn)生過氧化氫所需的電化學(xué)反應(yīng)。

高級(jí)儀器科學(xué)家Lars Thomsen博士說：“我們使用一種稱為NEXAFS的技術(shù)，即近邊緣X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜學(xué)，來研究各種感興趣的元素(鈷，碳和氧)的配位或氧化態(tài)。”和合著者。

環(huán)氧基團(tuán)(其中單鍵將一個(gè)氧原子連接至兩個(gè)相鄰原子)而不是羥基與碳基質(zhì)上氮配位的鈷鎳中心鍵合，這有助于材料的穩(wěn)定性及其催化效率。

研究人員報(bào)告說，結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接近理想的結(jié)合能，使氧還原反應(yīng)可以通過幾乎完整的兩電子轉(zhuǎn)移途徑進(jìn)行。

重要的是，所研究的樣品還顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的過氧化氫生成，并且?guī)缀醭^了先前報(bào)道的所有催化劑材料。

湯姆森說：“最重要的考慮因素之一是提供良好的產(chǎn)量和環(huán)境效益的能力，以便看到工業(yè)的發(fā)展。”從事合成綠色鋼生產(chǎn)方法的博士學(xué)位的湯姆森說。候選人。

除了解釋環(huán)氧基團(tuán)對(duì)過氧化氫生產(chǎn)的增強(qiáng)作用外，該研究還為穩(wěn)定酸性燃料電池中單原子催化劑的性能提供了見識(shí)。

其他X射線實(shí)驗(yàn)是在美國的Advanced Photon Source進(jìn)行的。

該研究由博士領(lǐng)導(dǎo)。來自UNSW的Rose Amal教授領(lǐng)導(dǎo)的粒子與催化研究實(shí)驗(yàn)室的候選人張慶然。其他合作者包括澳大利亞國立大學(xué)和CSIRO。