Vodikov peroksid ima, kot ena izmed 100 najbolj proizvedenih kemikalij na svetu, pomembno vlogo v kemijski industriji. Industrijsko se proizvaja z reakcijo oksidacije antrakinona. Postopek ima pomanjkljivosti, in sicer uporaba katalizatorjev iz plemenitih kovin ter velikih količin organskih topil. Te slabosti so motivirale raziskovalce, da raziščejo nove alternativne metode proizvodnje vodikovega peroksida.
Eden takšnih procesov je elektrokemijska sinteza vodikovega peroksida. Osnovna reakcija je elektrokemijska redukcija kisika, katere produkt je lahko voda ali vodikov peroksid. Voda je termodinamsko favorizirana, vendar je z uporabo selektivnega katalizatorja mogoče kinetično favorizirati vodikov peroksid. Preizkušajo se številne različne vrste katalizatorjev, kot so plemenite kovine, prehodne kovine in kompoziti na osnovi ogljika. Aktivnost in selektivnost katalizatorjev sta odvisni od adsorpcijske energije reakcijskih intermediatov, pa tudi od geometrije površine.
Katalizatorji iz čistega ogljika so pritegnili pozornost, predvsem zaradi nizke cene ter zanimivih površinskih in elektronskih lastnosti. Glavna ovira pri njihovem razvoju je slabo poznavanje aktivnih mest, ki sodelujejo pri elektrokatalizi. Kljub temu so elektrokemijski poskusi z njimi pokazali dobre rezultate, zlasti med poroznimi oblikami z visoko specifično površino.
V diplomskem delu preučujemo uporabo turbostratičnega grafena kot katalizatorja za elektrosintezo vodikovega peroksida. Enoslojni grafen kaže edinstvene elektronske lastnosti, vključno z visoko mobilnostjo nosilcev naboja in visoko električno prevodnostjo. Turbostratični grafen je oblika večplastnega grafena, ki prikazuje rotacijsko neusklajenost med sosednjimi plastmi, v nasprotju z običajnim Bernalovim zlaganjem v večslojnem grafenu in grafitu. Medslojna razdalja je večja in zmanjšuje sklopitev, zato je turbostratični grafen po svojih značilnostih podoben enoslojnemu grafenu.
Sintetizirali smo turbostratični grafen iz granuliranega aktivnega oglja z uporabo nove tehnike, znane kot bliskovito Joulovo segrevanje. Metoda temelji na notranjem Joulovem segrevanju prevodnih materialov, ki nastane zaradi upora električnemu toku, ki teče skozi njih. Prehajanje velikih tokov skozi materiale, bogate z ogljikom, povzroči, da se segrejejo na visoke temperature, ki omogočajo kemijsko rekompozicijo v grafit. Če hitro prekinemo segrevanje in se material takoj ohladi, plasti grafena v ogljikovem materialu ne dosežejo končne grafitne oblike, temveč ostanejo v vmesnih defektnih strukturah, ena izmed njih je turbostratični grafen. Produkt tega procesa se imenuje flash grafen in je običajno mešanica različnih morfologij, kot so turbostratnih sivih kosmičev in črnega
praškastega nagubanega grafena.
Flash grafen, ki smo ga proizvedli, je bil nato karakteriziran z več analizmi metodami, in sicer z vrstično elektronsko mikroskopijo, Ramansko spektroskopijo in Rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS). Slike, posnete z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM), so pokazale, da je material zelo porozen (značilnost podedovana od začetnega materiala). SEM slike visokih povečav so pokazale prisotnost nanovelikih plasti grafena, kar nakazuje na turbostratični grafen.
Ramanska spektroskopija je potrdila, da je turbostratični grafen res prisoten na površini materiala v manjših količinah. Ramanski spektri kažejo tudi, da je v primerjavi z aktivnim ogljem bliskoviti grafen manj defekten. Analiza XPS potrjuje tudi manjše število napak, pri čemer flash grafen vsebuje skoraj 12% manj neposredno vezanega kisika.
Poleg tega smo s pomočjo plinske adsorbcije dušika določili specifično površino flash grafena. Rezultati so pokazali, da je material v povprečju mezoporozen in ima dejansko visoko BET površino v vrednosti 196.5m$^2$/g.
Opravljeni so bili tudi elektrokemijski testi sintetiziranega produkta z uporabo vrteče se obročaste disk elektrode. Glavni preizkus je sestavljen iz izvajanja elektrokemijske redukcije kisikovega plina v nasičeni elektrolitski raztopini z valjasto dvojno elektrodo, katere neprekinjeno vrtenje povzroči, da se tekočina premakne do osrednje disk elektrode in nato radialno navzven ter pride v stik z obročasto elektrodo. Disk elektroda, prevlečena s katalizatorjem, reducira kisik, medtem ko obročna elektroda oksidira del proizvedenega vodikovega peroksida. Merjenje tokov, ki tečejo skozi elektrode, kaže, kako aktiven je katalizator pri redukciji kisika in kako selektiven je pri proizvodnji vodikovega peroksida.
Rezultate testov smo primerjali z delovanjem dveh ogljikovih katalizatorjev, o katerih so poročali raziskovalci. Flash grafen je imel skoraj enako aktivnost pri pridobivanju vodikovega peroksida kot eden izmed katalizatorjev, ki je bil označen kot mezoporozen, večjo od mikroporoznega katalizatorja, kar nakazuje, da je mezoporoznost flash grafena pozitivno povezana s sintezo vodikovega peroksida. Medtem ko so imeli defektni ogljikovi katalizatorji večjo splošno aktivnost pri redukciju kisika, verjetno delno zaradi svojih znatno večjih specifičnih površin. Flash grafen pa je izkazal veliko boljšo selektivnost za proizvodnjo vodikovega peroksida, saj dosegel je celo skoraj 100 odstotno selektivnost v določenem potencialnem oknu. Boljšo selektivnost flash grafena lahko pripišemo morfološkim in kemijskim značilnostim sintetiziranega materiala. Ugotovili smo namreč, da flash grafen vsebuje tudi do dvakrat več kisikovih defektov kot primerjani katalizatorji.
Na splošno smo pokazali, da ima sintetizirani material dobre elektrokemijske lastnosti, ki
jih je mogoče v prihodnosti bistveno izboljšati.
|
