Investigadores de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad Drexel en Filadelfia, junto con el Laboratorio Nacional Brookhaven, están trabajando para resolver un misterio múltiple que haga más sostenibles los tratamientos de desinfección del agua.
Las tecnologías escalables de producción electroquímica de ozono (EOP) para desinfectar el agua sucia podrían algún día reemplazar a los tratamientos centralizados con cloro que se utilizan hoy en día, ya sea en ciudades modernas o en aldeas remotas. Sin embargo, se sabe poco sobre la EOP a nivel molecular y cómo se puede hacer 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 (doi: 10.1021/acscatal.4c01317). El autor principal es el estudiante de doctorado de Drexel, Rayan Alaufey, junto con otros investigadores como Maureen Tang (coinvestigadora principal), 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 coinvestigador principal John A. Keith, profesor asociado de ingeniería química y petrolera, y la estudiante de posgrado Lingyan Zhao, de Pitt; y Qin Wu de Brookhaven.
Interacción entre la corrosión del catalizador y las especies reactivas homogéneas de oxígeno en la producción electroquímica de ozono.
“La gente ha utilizado cloro para tratar el agua potable desde el siglo XIX, pero hoy entendemos mejor que el cloro no siempre es la mejor opción. El 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 manera estable en el agua, el ozono en el agua se descompone naturalmente después de unos 20 minutos, lo que significa que es menos probable que dañe a las personas cuando lo consumen en el agua del grifo, cuando nadan en una piscina o cuando limpian heridas en un hospital”, explicó. Keith, quien también es miembro de la Facultad de Energía R.K. Mellon en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt.
“El EOP para una desinfección sostenible tendría mucho sentido en algunos mercados, pero hacerlo requiere un catalizador lo suficientemente bueno y, como nadie lo ha encontrado, el EOP es demasiado caro y consume mucha energía para un uso más amplio. Mis colegas y yo pensamos que si pudiéramos decodificar a nivel atómico lo que hace que un catalizador EOP mediocre funcione, tal vez podríamos diseñar un catalizador EOP aún mejor”.
Resolver el misterio de cómo funcionan los catalizadores EOP es crucial para comprender 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 está haciendo cada átomo en NATO para ayudar al proceso EOP? ¿Se está formando el ozono catalíticamente de la manera que queremos, o se forma porque el catalizador se está descomponiendo y es necesario trabajar en el futuro para hacer que los catalizadores NATO sean más estables?
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que probablemente se trate de una mezcla de ambos.
Utilizando análisis electroquímicos experimentales, espectrometría de masas y modelos computacionales de química cuántica, los investigadores crearon una "historia a escala atómica" para explicar cómo se genera ozono en los electrocatalizadores NATO. Por primera vez, identificaron que parte del níquel en NATO probablemente se esté lixiviando de los electrodos a través de la corrosión, y estos átomos de níquel, que ahora flotan en la solución cerca del catalizador, pueden promover reacciones químicas que eventualmente generan ozono.
“Si queremos fabricar un electrocatalizador mejor, debemos comprender qué partes funcionan y qué partes no. Factores como la lixiviación de iones metálicos, la corrosión y las reacciones en fase de solución pueden dar la apariencia de que un catalizador está funcionando de una manera cuando en realidad está funcionando de otra manera”.
Keith señaló que identificar la prevalencia de la corrosión y las reacciones químicas que ocurren fuera del catalizador son pasos importantes que deben aclararse antes de que otros investigadores puedan buscar mejoras en el EOP y otros procesos electrocatalíticos. En su conclusión, señalan que "Identificar o refutar la existencia de tales limitaciones tecnológicas fundamentales será fundamental para cualquier aplicación futura de EOP y otros procesos avanzados de oxidación electroquímica".
“Sabemos que el tratamiento electroquímico del agua funciona a pequeña escala, pero el descubrimiento de mejores catalizadores lo impulsará a escala global. El siguiente paso es encontrar nuevas combinaciones atómicas en materiales que sean más resistentes a la corrosión, pero que también promuevan un EOP económica y sosteniblemente viable”, dijo Keith.
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