科學(xué)家借助量子化學(xué)實(shí)現(xiàn)了無(wú)氯水消毒

研究揭示高壓環(huán)境下氧化錫臭氧催化劑失效原因。

美國(guó)科學(xué)家在保障醫(yī)院及水處理設(shè)施獲得更安全的無(wú)氯消毒用水方面取得重要進(jìn)展，成功揭示了前景廣闊的臭氧生成催化劑隨時(shí)間降解的原因。匹茲堡大學(xué)的研究人員與德雷塞爾大學(xué)及布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)合作，揭示了按需生成消毒劑臭氧的催化劑關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用量子化學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了催化劑表面微觀缺陷如何同時(shí)促進(jìn)臭氧生成并引發(fā)導(dǎo)致失效的腐蝕現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)更耐久的無(wú)氯水處理系統(tǒng)提供了方向。

匹茲堡大學(xué)R.K. 梅隆教職研究員約翰·基思表示："這項(xiàng)工作證明了基礎(chǔ)科學(xué)與工程如何結(jié)合，以解答長(zhǎng)期存在的科學(xué)問(wèn)題，并為改進(jìn)水和衛(wèi)生技術(shù)開(kāi)拓新途徑。"

催化劑的隱性損傷

氯是目前市政飲用水、醫(yī)院及工業(yè)設(shè)施的主要消毒劑，但這種高活性的黃綠色鹵素元素存在明顯缺陷：不僅運(yùn)輸儲(chǔ)存危險(xiǎn)，與有機(jī)物反應(yīng)還可能產(chǎn)生潛在致癌副產(chǎn)物。相比之下，臭氧作為一種強(qiáng)效消毒劑，可分解為氧氣而不遺留長(zhǎng)期化學(xué)殘留。

通過(guò)合適催化劑，電解水可生產(chǎn)更安全、可持續(xù)的臭氧，但對(duì)臭氧形成催化劑工作原理的認(rèn)識(shí)不足阻礙了技術(shù)發(fā)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確識(shí)別促進(jìn)臭氧生成或引發(fā)腐蝕的表面缺陷，明確了穩(wěn)定型下一代催化劑所需特性。

基思在新聞聲明中指出："在極端電解條件下，可能引發(fā)振奮人心的化學(xué)反應(yīng)，但催化劑也可能更快失效。在我們研究的氧化物催化劑中，促進(jìn)臭氧生成的物質(zhì)矛盾地同時(shí)抑制其形成。"

研究人員發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)臭氧形成的表面特征同樣加速催化劑分解后，開(kāi)始著手設(shè)計(jì)可避免腐蝕的臭氧生成位點(diǎn)。

無(wú)氯臭氧生成技術(shù)

鎳銻共摻雜氧化錫（NATO）一直被視為電解法臭氧生成中最安全、最具成本效益的方案，但其過(guò)快降解速度限制了廣泛應(yīng)用。

前化學(xué)工程博士生趙凌燕的計(jì)算工作為揭示NATO催化劑快速失效機(jī)制提供了線索。德雷塞爾大學(xué)博士生研究員拉揚(yáng)·阿拉菲通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了趙凌燕的分析結(jié)果。

阿拉菲系統(tǒng)研究了不同表面結(jié)構(gòu)對(duì)臭氧產(chǎn)量與降解速率的影響，結(jié)果表明催化劑性能取決于活性與穩(wěn)定性之間的核心平衡關(guān)系，未來(lái)設(shè)計(jì)必須精細(xì)調(diào)控這一平衡。

研究團(tuán)隊(duì)相信該發(fā)現(xiàn)將對(duì)水處理領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。直接在水中生成臭氧的消毒系統(tǒng)有望消除危險(xiǎn)化學(xué)品的運(yùn)輸儲(chǔ)存需求。

據(jù)報(bào)道，這種創(chuàng)新方法可提升醫(yī)院、市政設(shè)施及偏遠(yuǎn)地區(qū)的安全性，同時(shí)減少氯基處理產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。

該研究已發(fā)表于《ACS催化》期刊。

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