研究揭示高壓環(huán)境下氧化錫臭氧催化劑失效原因。

美國科學家在保障醫(yī)院及水處理設施獲得更安全的無氯消毒用水方面取得重要進展，成功揭示了前景廣闊的臭氧生成催化劑隨時間降解的原因。匹茲堡大學的研究人員與德雷塞爾大學及布魯克海文國家實驗室的團隊合作，揭示了按需生成消毒劑臭氧的催化劑關鍵設計原理。

研究團隊運用量子化學方法，發(fā)現(xiàn)了催化劑表面微觀缺陷如何同時促進臭氧生成并引發(fā)導致失效的腐蝕現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)為設計更耐久的無氯水處理系統(tǒng)提供了方向。

匹茲堡大學R.K. 梅隆教職研究員約翰·基思表示："這項工作證明了基礎科學與工程如何結合，以解答長期存在的科學問題，并為改進水和衛(wèi)生技術開拓新途徑。"

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：不僅運輸儲存危險，與有機物反應還可能產(chǎn)生潛在致癌副產(chǎn)物。相比之下，臭氧作為一種強效消毒劑，可分解為氧氣而不遺留長期化學殘留。

通過合適催化劑，電解水可生產(chǎn)更安全、可持續(xù)的臭氧，但對臭氧形成催化劑工作原理的認識不足阻礙了技術發(fā)展。研究團隊通過精確識別促進臭氧生成或引發(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)振奮人心的化學反應，但催化劑也可能更快失效。在我們研究的氧化物催化劑中，促進臭氧生成的物質(zhì)矛盾地同時抑制其形成。"

研究人員發(fā)現(xiàn)驅(qū)動臭氧形成的表面特征同樣加速催化劑分解后，開始著手設計可避免腐蝕的臭氧生成位點。

無氯臭氧生成技術

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，但其過快降解速度限制了廣泛應用。

前化學工程博士生趙凌燕的計算工作為揭示NATO催化劑快速失效機制提供了線索。德雷塞爾大學博士生研究員拉揚·阿拉菲通過大量實驗驗證了趙凌燕的分析結果。

阿拉菲系統(tǒng)研究了不同表面結構對臭氧產(chǎn)量與降解速率的影響，結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系，未來設計必須精細調(diào)控這一平衡。

研究團隊相信該發(fā)現(xiàn)將對水處理領域產(chǎn)生重要影響。直接在水中生成臭氧的消毒系統(tǒng)有望消除危險化學品的運輸儲存需求。

據(jù)報道，這種創(chuàng)新方法可提升醫(yī)院、市政設施及偏遠地區(qū)的安全性，同時減少氯基處理產(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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