La clave para un agua más limpia
Ingenieros de Pitt, Drexel y Brookhaven resuelven el misterio de la "catálisis frente a la corrosión" en la producción electroquímica de ozono
Investigadores de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad Drexel de Filadelfia, junto con el Laboratorio Nacional de Brookhaven, trabajan para resolver un misterio multipartito con el fin de hacer más sostenibles los tratamientos de desinfección del agua.
Una representación de la producción eléctrica de ozono y la investigación de lo que realmente ocurre a nivel molecular.
John Keith
Las tecnologías escalables de producción electroquímica de ozono (EOP) para desinfectar el agua sucia podrían sustituir algún día a los tratamientos centralizados con cloro que se utilizan hoy en día, ya sea en ciudades modernas o en aldeas remotas. Sin embargo, poco se sabe de la producción electroquímica de ozono a nivel molecular y de cómo conseguir que las tecnologías que la hacen posible sean eficientes, económicas y sostenibles.
Su investigación, "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production", se publicó recientemente en la revista ACS Catalysis. El autor principal es el estudiante de doctorado de Drexel Rayan Alaufey, con la colaboración de investigadores de Drexel, como la co-investigadora principal Maureen Tang, profesora asociada de ingeniería química y biológica, el investigador postdoctoral Andrew Lindsay, la estudiante de doctorado Tana Siboonruang, y Ezra Wood, profesor asociado de química; el co-investigador principal John A. Keith, profesor asociado de ingeniería química y del petróleo, y el estudiante graduado Lingyan Zhao de Pitt; y Qin Wu de Brookhaven.
"La gente ha utilizado el cloro para tratar el agua potable desde el sigloXIX, pero hoy sabemos que el cloro no siempre es la mejor opción. La EOP, por ejemplo, puede generar ozono, una molécula con aproximadamente el mismo poder desinfectante que el cloro, directamente en el agua. A diferencia del cloro, que persiste de forma estable en el agua, el ozono en el agua se descompone de forma natural al cabo de unos 20 minutos, lo que significa que es menos probable que dañe a las personas cuando consumen agua del grifo, cuando nadan en una piscina o cuando limpian heridas en un hospital", explicó Keith, que también es R.K. Mellon Faculty Fellow in Energy en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt.
"La EOP para la desinfección sostenible tendría mucho sentido en algunos mercados, pero para ello hace falta un catalizador lo bastante bueno, y como nadie ha encontrado aún un catalizador de EOP lo bastante bueno, la EOP es demasiado cara y consume demasiada energía para un uso más generalizado. Mis colegas y yo pensamos que si podíamos descifrar a nivel atómico lo que hace que un catalizador EOP mediocre funcione, quizá podríamos diseñar un catalizador EOP aún mejor".
Resolver el misterio de cómo funcionan los catalizadores EOP es crucial para entender cómo diseñar mejor uno de los catalizadores EOP más prometedores y menos tóxicos conocidos hasta la fecha: el óxido de estaño dopado con níquel y antimonio (Ni/Sb-SnO2, o NATO).
Ahí, dijo Keith, radica el enigma: ¿qué hace cada átomo de NATO para ayudar a la EOP? ¿Se está formando ozono catalíticamente de la forma que queremos, o se forma porque el catalizador se está descomponiendo y hay que seguir trabajando para que los catalizadores NATO sean más estables?
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que probablemente se trate de una mezcla de ambas cosas.
Utilizando análisis electroquímicos experimentales, espectrometría de masas y modelos de química cuántica computacional, los investigadores crearon un "argumento a escala atómica" para explicar cómo se genera el ozono en los electrocatalizadores OTAN. Por primera vez, identificaron que parte del níquel de la OTAN probablemente se lixivia fuera de los electrodos a través de la corrosión, y estos átomos de níquel, ahora flotando en la solución cerca del catalizador, pueden promover reacciones químicas que eventualmente generan ozono.
"Si queremos fabricar un electrocatalizador mejor, tenemos que saber qué partes funcionan y cuáles no. Factores como la lixiviación de iones metálicos, la corrosión y las reacciones en fase de solución pueden dar la impresión de que un catalizador funciona de una manera cuando en realidad funciona de otra".
Keith señaló que identificar la prevalencia de la corrosión y las reacciones químicas que se producen lejos del catalizador son pasos importantes que hay que aclarar antes de que otros investigadores puedan perseguir mejoras en la EOP y otros procesos electrocatalíticos. En su conclusión, señalan que "identificar o refutar la existencia de tales limitaciones tecnológicas fundamentales será crítico para cualquier aplicación futura de la EOP y otros procesos electroquímicos avanzados de oxidación."
"Sabemos que el tratamiento electroquímico del agua funciona a pequeña escala, pero el descubrimiento de mejores catalizadores lo impulsará a escala mundial. El siguiente paso es encontrar nuevas combinaciones atómicas en materiales que sean más resistentes a la corrosión, pero que también favorezcan una EOP viable desde el punto de vista económico y sostenible", afirmó Keith.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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