水+空気+電気=過酸化水素 (Water + air + electricity = hydrogen peroxide)

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2019/10/10 アメリカ合衆国・ライス大学

Rice University graduate student Yang Xia shows the output of a new reactor that uses just air, water and electricity to produce hydrogen peroxide on demand. (Credit: Brandon Martin/Rice University)

・ ライス大学が、空気、水、電気のみで、自由な濃度で高純度の過酸化水素を生成する、より安全、シンプルでグリーンな合成プロセスを開発。
・ 炭素酸化物のナノ粒子ベース触媒を使用して、高純度の過酸化水素溶液のポイント・オブ・ユーズ (使用場所で)の生成が可能。危険性が懸念される輸送が不要になる。
・ 従来的な液体電解質に代わり、固体電解質を使用するので、現在のプロセスにあるような生成物分離や精製が不要。イオンのコンタミもない。
・ 太陽光パネルから電気が得られれば、タイトル通りに太陽光エネルギー、空気、水のみで過酸化水素水が生成可能。従来、過酸化水素は有機廃棄物を発生させ、化石燃料を使用して CO2 を排出する大規模な化学工場で合成される。
・ 過酸化水素は、消毒剤や、洗剤、化粧品、漂白剤、浄水等に幅広く利用されている。濃度が最高 60%の水溶液に生成されるが、一般的な用途の多くでは、かなり希釈されている。
・ 工業用の過酸化水素は高濃度での輸送が最も経済的であるが、高濃度化合物は安定性に欠けるため輸送コストと危険性が懸念される。また、経時的に分解するため輸送先では直ちに貯蔵が必要。
・ 新合成プロセスは、使用場所での過酸化水素の直接製造を可能にする。再生可能エネルギーは、近年コストが下がっており、空気は無料、水も安価なので、本プロセスによる製造は価格面で優位性があると考える。
・ 例えば病院で過酸化水素を消毒剤として使用する際、容器に入った過酸化水素をストックするかわりに、濃度 3%の水溶液が蛇口をひねれば出てきたり、家庭でプールの水の消毒に、スイッチオンでリアクタを作動させる等、オンデマンドの直接製造が将来的に可能と考える。
・ 同大学が作製したリアクタは、燃料電池のように、イオン伝導性の多孔質固体電解質を挟んだ、水素(水)と酸素(空気)を処理する 2 本の電極より構成。
・ 燃料電池では、過酸化水素の生成を最小限に抑えて、最大のエネルギー効率で水を生成するが、 8 本研究では逆に、過酸化水素の生成を最大限するように触媒を調整した。
・ 固体電解質に配置し、反応性を高めるために酸化させた低コストカーボンブラック触媒が、電圧、空気と水の使用量と脱イオン水の継続供給で決まる速度と濃度で、目的とする過酸化水素の生成に向けて酸素還元経路をシフトする。同反応は、周囲温度および大気圧下で起こる。
・ 同触媒は、不純物を含まない重量 1%の過酸化水素溶液を、研究室で 100 時間超連続合成できる堅牢性を有する。分解はほとんど観られなかった。
・ 今後は、産業パートナーとの共同実証を見込んでより大きなリアクタとプラグ・アンド・プレイコンポーネントを開発する予定。地方自治体の浄水システム等の産業スケールのアプリケーションを期待する。大学キャンパスの雨水で低濃度過酸化水素生成を試験し、有機炭素のコンタミ除去能力を実証済み。
・ 過酸化水素の電気化学的合成は、生成物分離や精製のプロセスにより制限されていたが、実際のアプリケーションを阻むこの課題を克服できたと考える。
・ 本研究は、ライス大学と、Smalley-Curl Institute の J. Evans Attwell-Welch Postdoctoral Fellowship が支援した。
URL: http://news.rice.edu/2019/10/10/water-air-electricity-hydrogen-peroxide-2/

(関連情報)
Science 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte
URL: https://science.sciencemag.org/content/366/6462/226

<NEDO海外技術情報より>

A direct route to pure peroxide

Despite the widespread use of hydrogen peroxide as an oxidant and disinfectant, its commercial synthesis still requires inefficient concentration and purification steps. Xia et al. now report an electrochemical approach to synthesizing pure peroxide solutions straight from hydrogen and oxygen. Using a solid-state electrolyte, they avoid contamination of the product solution by extraneous ions. Varying the flow rate of water through the electrochemical cell tunes the final concentration over a range from 0.3% to 20% by weight.

Science, this issue p. 226

Abstract

Hydrogen peroxide (H2O2) synthesis generally requires substantial postreaction purification. Here, we report a direct electrosynthesis strategy that delivers separate hydrogen (H2) and oxygen (O2) streams to an anode and cathode separated by a porous solid electrolyte, wherein the electrochemically generated H+ and HO2 recombine to form pure aqueous H2O2 solutions. By optimizing a functionalized carbon black catalyst for two-electron oxygen reduction, we achieved >90% selectivity for pure H2O2 at current densities up to 200 milliamperes per square centimeter, which represents an H2O2 productivity of 3.4 millimoles per square centimeter per hour (3660 moles per kilogram of catalyst per hour). A wide range of concentrations of pure H2O2 solutions up to 20 weight % could be obtained by tuning the water flow rate through the solid electrolyte, and the catalyst retained activity and selectivity for 100 hours.

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