Nieuwe katalysator maakt productie van waterstofperoxide op locatie mogelijk

Water kan tal van ziekteverwekkers bevatten en ontsmetten van drinkwater is daarom cruciaal. Waterstofperoxide is heel geschikt voor deze klus, maar de productie is ingewikkeld. In afgelegen gebieden ontbreken de mogelijkheden om waterstofperoxide te produceren en te vervoeren. Onderzoekers van de Universiteit van Cardiff publiceerden in Science een nieuwe manier waarmee waterstofperoxide juist ter plekke gemaakt kan worden. Ze hopen dat hiermee ook in minder ontwikkelde gebieden meer mensen toegang krijgen tot veilig drinkwater.

26 februari 2016

Waterstofperoxide is een bekend middel om je haar te blonderen, maar die toepassing rechtvaardigt niet de jaarlijkse productie van meer dan vier miljoen ton (4.000.000.000 kg). De papierindustrie gebruikt het op grote schaal als bleekmiddel en voor de chemische industrie is het een belangrijke schakel in veel verschillende processen.

Waterleidingbedrijven gebruiken waterstofperoxide om drinkwater, maar ook leidingen, installaties en opslagvoorzieningen te ontsmetten. Waterstofperoxide is zeer reactief en heeft als groot voordeel ten opzichte van bijvoorbeeld chloorhoudende middelen dat het geen vervuilende bijproducten oplevert. Uiteindelijk valt het uiteen in water en zuurstof. Dat levert geen problemen voor het milieu.

Gouden nanodeeltjes

In de meest gebruikte industriële productiemethode is waterstofperoxide in feite een bijproduct van een cyclische reactie in meerdere stappen. Door een complexe chemische verbinding te laten reageren met waterstof (H₂) en vervolgens dat reactieproduct weer terug te laten reageren met zuurstof (O₂) ontstaat ook waterstofperoxide (H₂O₂). Voor de reactie met waterstof is een katalysator nodig en het metaal palladium is hiervoor het meest geschikt.

Tank van de Japan Oil Trading Co. (JOT), gevuld met waterstofperoxide in hoge concentratie.Chatama via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Het lijkt veel logischer om waterstof en zuurstof direct met elkaar te laten reageren, maar dat blijkt in de praktijk nogal lastig. Een van de redenen is dat de palladium-katalysator het nieuw gevormde waterstofperoxide ook snel weer uiteen laat vallen. Een groep chemici onder leiding van prof.dr. Graham Hutchings van de Universiteit van Cardiff (Wales) werkt al lang aan een katalysator die de directe combinatie van waterstof en zuurstof mogelijk maakt en tegelijk de vervolgreactie met waterstofperoxide voorkomt. De combinatie van palladium met gouden nanodeeltjes bleek een doorbraak. Het was nu mogelijk waterstofperoxide om één stap te produceren.

Ondanks verbeteringen in de beschikbaarheid van drinkwater, zijn honderden miljoenen mensen nog aangewezen op niet altijd betrouwbare waterbronnen. Desinfectie van zowel het water als de leidingen is noodzakelijk, maar moeilijk te realiseren.S.O.S Bangladesh

Tin werkt ook

Maar goud is duur en daarom niet realistisch voor gebruik in arme gebieden. Om dat probleem te verhelpen zijn ze gaan zoeken naar vervangers en de reactie blijkt ook prima te verlopen met veel goedkopere en ruim beschikbare metalen als zink, tin en kobalt. Door met elektronenmicroscopen de kalatysatordeeltjes in actie te bestuderen, zagen de onderzoekers dat juist de kleinste deeltjes, die relatief veel palladium bevatten, zorgden voor het weer uiteenvallen van waterstofperoxide. De grootste deeltjes, met relatief het minste palladium, waren echter weer veel minder effectief in het vormen van waterstofperoxide. Het was dus zaak om de grootte van de nanodeeltjes goed te controleren.

Na vijf jaar zoeken en proberen kwamen ze uit bij een combinatie van palladium en tin, die in een heel dunne laag over een oppervlak van titaniumdioxide wordt verspreid. Naast actieve palladium-tindeeltjes vormt het tin ook een extra laagje dat de reactieve deeltjes van vooral palladium omsluit, waardoor hun ongewenste werking wordt tegengegaan.

Drinkwater verzamelen in Oeganda.The Water School

Lokaal produceren

Deze nieuwe productiewijze levert waterstofperoxide in veel lagere concentraties dan de industriële methode, maar dat is geen probleem. Sterk geconcentreerd waterstofperoxide is door de hoge reactiviteit niet direct bruikbaar en moet altijd worden verdund voor gebruik. Bovendien zijn voor lokale, decentrale toepassingen veel kleinere volumes waterstofperoxide nodig dan waar de industrie naar streeft.

“Wij denken niet dat onze methode een vervanger is voor het huidige industriële proces, maar dat het juist geschikt is voor toepassingen waarin lage concentraties waterstofperoxide nodig zijn, zoals decentrale watervoorzieningen”, aldus Graham Hutchings in het begeleidende persbericht. “We zijn al in overleg met bedrijven over hoe we onze nieuwe katalysator verder kunnen ontwikkelen.”

Bron

Simon J. Freakley et al., Palladium-tin catalysts for the direct synthesis of H₂O₂ with high selectivity, Science (2016), doi:10.1126/science.aad5705

Reageer