Получение пероксида водорода с помощью солнечной энергии достигает рекордной скорости преобразования

Перекись водорода, ключевой химикат, используемый в процессе производства полупроводников, входит в число 100 крупнейших промышленных химикатов и является важным сырьем, широко используемым в дезинфекции, окислении и производстве целлюлозы. Ожидается, что мировой рынок пероксида водорода в 2024 году превысит 7 триллионов вон (KRW) (около 5,5 миллиардов долларов США).

Однако прогнозируется, что стабильных поставок перекиси водорода будет трудно достичь из-за недавних карантинных мер по COVID во всем мире и быстрого роста спроса на производство полупроводников. Более того, текущий метод производства пероксида водорода - это термохимический процесс (антрахиноновый процесс), в котором в качестве катализатора при высокой температуре и давлении используется палладий, дорогой редкий металл. Этот процесс не только потребляет много энергии, но и вызывает различные экологические проблемы, такие как риск взрыва и выброс парниковых газов.

Хотя было предпринято много усилий для производства пероксида водорода с низким энергопотреблением и низким уровнем выбросов углерода, преодоление порога коммерциализации является сложной задачей из-за крайне низкой производительности и эффективности. Следовательно, существует острая необходимость в разработке экологически чистых технологий, способных решить проблемы существующих термохимических процессов.

Корейский институт науки и технологий (KIST) в ноябре прошлого года объявил о том, что исследовательская группа доктора Джихи Бьюна из Центра исследований водного цикла и исследовательская группа доктора Донг Ки Ли из Центра исследований чистой энергии разработали новую технологию, которая использует солнечный свет для производства перекиси водорода в беспрецедентно высокой концентрации, заменяя необходимость в энергии высокой температуры и высокого давления. Эта технология является примером замены термохимического процесса фотокаталитическим процессом для производства ключевого химического сырья без выбросов углерода.

Исследовательская группа KIST разработала фотокаталитический реакционный раствор как органический раствор, основываясь на том, что органические молекулы антрахинона подвергаются многократным реакциям окисления и восстановления в существующем термохимическом процессе для получения перекиси водорода. В результате они обнаружили, что способность фотокатализатора к восстановлению кислорода была улучшена в органическом реакционном растворе, и производство перекиси водорода значительно увеличилось. Кроме того, исследовательская группа впервые установила, что органический реакционный раствор сам поглощает свет и производит перекись водорода в результате фотохимической реакции.

Исследовательская группа достигла результата производства перекиси водорода в концентрации 53 000 ppm (т.е. 5,3%) в единицу времени и на грамм фотокатализатора, используя солнечный свет при управлении фотокатализатором и реакционным раствором. Это достижение более чем в пять раз превышает промышленный стандарт производства перекиси водорода, составляющий не менее 10 000 ppm, или 1%.

Таким образом, это прорывной показатель, учитывая, что существующие фотокаталитические технологии производят перекись водорода только на уровне десятков-сотен ppm. Эта технология достигла эффективности преобразования солнечной энергии в химическую 1,1% за счет синергетического эффекта двух фотореакций, т.е. фотокатализатора и фотохимии, побив самый высокий в мире показатель эффективности, а также самый высокий показатель эффективности предыдущего фотокатализатора - 0,61%.

Схема технологии производства пероксида водорода на солнечной энергии

Д-р Бьюн и д-р Ли из KIST заявили: "Это исследование доказывает, что низкоуглеродная, экологически чистая технология с использованием солнечного света может также производить основное промышленное топливо с высокой концентрацией и чистотой". Они также заявили: "Мы проверили полноту технологии, связав процесс переработки полученного пероксида водорода с литровым масштабом, и мы будем стремиться к коммерциализации технологии путем крупномасштабной демонстрации в будущем".