Une équipe de chercheurs a développé une méthode portable et plus écologique pour produire du peroxyde d'hydrogène. Cela pourrait permettre aux hôpitaux de s'approvisionner eux-mêmes en désinfectant sur demande et à moindre coût.
Le travail, une collaboration entre l'Université de Californie à San Diego, l'Université de Columbia, le Brookhaven National Laboratory, l'Université de Calgary et l'Université de Californie à Irvine, est détaillé dans un article publié dans Communications Nature.
Le peroxyde d'hydrogène a récemment fait la une des journaux alors que les chercheurs et les centres médicaux du pays testent sa viabilité en décontaminant les masques N95 pour faire face aux pénuries dans le cadre de la pandémie de COVID-19.
Bien que les résultats soient prometteurs à ce jour, certains chercheurs craignent que la mauvaise durée de conservation du produit chimique puisse rendre ces efforts de décontamination coûteux.
Le principal problème est que le peroxyde d'hydrogène n'est pas stable; il commence à se décomposer en eau et en oxygène avant même que la bouteille n'ait été ouverte. Il se décompose encore plus rapidement une fois exposé à l'air ou à la lumière.
« Vous n'avez peut-être que quelques mois pour l'utiliser avant son expiration, vous devrez donc commander des lots plus fréquemment pour garder un approvisionnement neuf », a déclaré Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à l'UC San Diego. « Et parce qu'il se décompose si rapidement, son expédition et son stockage deviennent très chers. »
Chen et ses collègues ont développé une méthode rapide, simple et peu coûteuse pour générer du peroxyde d'hydrogène en interne en utilisant uniquement un petit ballon, de l'air, un électrolyte standard, un catalyseur et de l'électricité.
« Notre objectif est de créer une configuration portable qui peut être simplement branchée afin que les hôpitaux, et même les ménages, aient un moyen de générer du peroxyde d'hydrogène à la demande », a déclaré Chen. « Pas besoin de l'expédier, pas besoin de le stocker, et pas de précipitation pour tout utiliser avant son expiration. Cela pourrait économiser jusqu'à 50 à 70% en coûts. »
Un autre avantage est que la méthode est moins toxique que les procédés industriels.
La méthode est basée sur une réaction chimique dans laquelle une molécule d'oxygène se combine avec deux électrons et deux protons dans une solution d'électrolyte acide pour produire du peroxyde d'hydrogène. Ce type de réaction est connu sous le nom de réaction de réduction de l'oxygène à deux électrons, et il est convivial car il peut produire du peroxyde d'hydrogène dilué avec la concentration souhaitée sur demande.
Dans la prochaine étape, nous développerons des électrocatalyseurs adaptés à d'autres solutions d'électrolytes pour augmenter encore la gamme de ses applications. «
Qiaowan Chang, étudiant diplômé, Département de génie chimique, Université de Californie à San Diego
La clé pour que cette réaction se produise est un catalyseur spécial que l'équipe a développé. Il est composé de nanotubes de carbone qui ont été partiellement oxydés, ce qui signifie que des atomes d'oxygène ont été attachés à la surface.
Les atomes d'oxygène sont liés à de minuscules grappes de trois à quatre atomes de palladium. Ces liaisons entre les amas de palladium et les atomes d'oxygène sont ce qui permet à la réaction de se produire avec une sélectivité et une activité élevées en raison de son énergie de liaison optimale de l'intermédiaire clé pendant la réaction.
Le professeur de génie chimique de l'Université de Columbia, Jingguang Chen, a déclaré: « La coordination entre le cluster Pd modifié par l'oxygène et les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène sur les nanotubes de carbone est la clé pour améliorer ses performances catalytiques. »
L'équipe a initialement développé cette méthode pour rendre les processus de recyclage des batteries plus écologiques. Le peroxyde d'hydrogène est l'un des produits chimiques utilisés pour extraire et récupérer les métaux comme le cuivre, le nickel, le cobalt et le magnésium des batteries lithium-ion usagées. De même, il rend également l'activation des molécules d'hydrocarbures plus efficace, ce qui est une étape critique dans de nombreux processus chimiques industriels.
« Nous travaillions sur ce projet depuis environ un an et demi. Alors que nous terminions les choses, la pandémie de COVID-19 a frappé », a déclaré Chen. En voyant des reportages sur l'utilisation de vapeur de peroxyde d'hydrogène pour désinfecter les masques N95 en vue d'une réutilisation, l'équipe a décidé de faire pivoter les directions.
« Nous avons constaté qu'il était plus urgent de déployer des efforts pour aider les travailleurs de la santé qui ne bénéficient pas d'une protection suffisante lorsqu'ils soignent des patients souffrant du nouveau coronavirus », a-t-il déclaré.
Le travail est au stade de la preuve de concept. À l'avenir, l'équipe travaillera à l'optimisation et à la mise à l'échelle de la méthode pour une utilisation potentielle dans les hôpitaux.
Les études futures comprennent la modification de la méthode afin qu'elle puisse être effectuée en utilisant un électrolyte neutre (essentiellement une solution saline) au lieu d'un acide, ce qui serait mieux pour les applications domestiques et cliniques, a déclaré Chen. Une partie de ce travail continu est actuellement soutenue par le Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego.
La source:
Université de Californie à San Diego
Référence de la revue:
Chang, Q., et al. (2020) Promouvoir H2O2 production par réduction de l'oxygène à 2 électrons en coordonnant le Pd partiellement oxydé avec le carbone défectueux. Communications Nature. doi.org/10.1038/s41467-020-15843-3.
