Hydrogen peroxide đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ô tô ở Trung Quốc, máy bay phản lực, tên lửa và xe đua. Hydrogen peroxide cũng đã được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho máy bay tên lửa thử nghiệm X-15 của Hoa Kỳ, tên lửa V-2 của Đức và một số vệ tinh của Hoa Kỳ. NASA cũng đã thử nghiệm động cơ hydro peroxide để sử dụng cho các chuyến cất cánh có ý thức về môi trường hơn.
Hydrogen Peroxide hoặc H2O2 chứa hai nguyên tử hydro và hai nguyên tử oxy. Khi được sử dụng làm nhiên liệu, các sản phẩm phụ duy nhất là hơi nước, oxy và nhiệt với lượng khí thải nhà kính bằng không. Hydrogen peroxide là một chất lỏng, với các dung dịch cấp thấp (tối đa 10 phần trăm) được sử dụng để tẩy trắng tóc, răng, bột gỗ và các sản phẩm khác. Các giải pháp cao cấp (trên 90 phần trăm) thường được sử dụng cho nhiên liệu.
Hydrogen peroxide cũng có thể được vận chuyển dễ dàng. Xe tải lớn hoặc xe lửa thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng trên một khoảng cách dài. Việc thiết lập cơ sở hạ tầng nhiên liệu hydro peroxide sẽ tương tự như cơ sở hạ tầng xăng dầu hiện nay liên quan đến việc vận chuyển nhiên liệu bằng xe tải, toa tàu, sà lan hoặc tàu thủy.
Hydrogen peroxide trong nhiều năm thường được sản xuất bằng quy trình Antraquinone hoặc AO (Tự oxy hóa). Tuy nhiên, những đột phá gần đây trong việc sử dụng công nghệ chất xúc tác nano đang dẫn đến việc xây dựng phương pháp sản xuất quy mô lớn cho hydro peroxide.
Trên thực tế, Headwaters, Incorporated of South Jordan, Utah và Degussa AG của Düsseldorf, Đức vừa ký kết một liên doanh để phát triển chất xúc tác nano NxCatTM để sản xuất hydro peroxide quy mô lớn với chi phí chỉ bằng một phần ba đến một nửa thông thường.
Nhiên liệu Hydro peroxide có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để cung cấp năng lượng cho xe. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Purdue- Hoa Kỳ - một trong những trường Đại học tôi đã từng sang làm việc nhiều lần- đã sử dụng Hydro peroxide và một hợp kim nhôm để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu mà một ngày nào đó có thể được sử dụng trong ô tô hoặc xe cộ.
Hydrogen peroxide cũng có thể được điện phân như nước để tạo ra hydro và oxy, sau đó có thể chạy qua động cơ đốt trong hoặc pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho phương tiện.
Phương pháp thứ ba là sử dụng hydro peroxide để cung cấp nhiên liệu cho động cơ tua-bin sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho phương tiện.
Do nhiên liệu Hydro peroxit có thể giải quyết vấn đề cơ sở hạ tầng quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế hydro sắp tới, nên giải pháp thay thế này cần được đánh giá cao, nghiên cứu và R&D nhiều hơn so với hiện tại ngành công nghiệp ô tô và các ngành nhiên liệu năng lượng thay thế đang cung cấp.
TỔNG HỢP TRỰC TIẾP HYDROGEN PEROXIDE.
Khi các nhà khoa học nói về hydrogen peroxide như một loại nhiên liệu, họ sử dụng từ "phân hủy" thay vì nói nhiên liệu được "đốt cháy".
Khi hydrogen peroxide được sử dụng làm nhiên liệu, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt trong quá trình phân hủy nhanh H2O2 thành H2O, tạo ra hơi nước và oxy. Trong trường hợp nồng độ H2O2 cao, phần lớn năng lượng có dạng một lực đẩy khổng lồ – lực đẩy – như đã được chứng minh bởi ô tô phản lực và tên lửa.
Hydrogen peroxide "phân hủy" thành nước tinh khiết: phân tử H2O2 biến đổi thành H2O 1 free O (nước 1 nguyên tử oxy tự do) tạo ra rất nhiều nhiệt trong quá trình này. H2O2 được sử dụng trong Thế chiến II làm nhiên liệu cho ngư lôi dưới nước vì nó "đốt cháy" mà không cần nguồn cung cấp không khí bên ngoài. Vệt bong bóng khí có thể nhìn thấy phía sau quả ngư lôi chạy bằng H2O2 là bằng chứng về oxy tự do được giải phóng trong quá trình phân hủy H2O2 thành H2O.
Quá trình phân hủy H2O2 giải phóng oxy tinh khiết dưới dạng sản phẩm phụ. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng sản phẩm phụ oxy tinh khiết có thể được sử dụng để "đốt cháy" carbon trong quá trình phân hủy H2O2—nhiệt sẽ khiến carbon và oxy tự do bốc cháy và "đốt cháy". Bằng cách này, năng lượng nhiệt của nhiên liệu H2O2 có thể tăng lên đáng kể.
Đã có nhiều hệ thống đẩy và động cơ được phát minh bằng cách sử dụng hydro peroxide trong hơn 80 năm qua.. Các video sau đây là một số thử nghiệm và ứng dụng thú vị hơn gần đây. Có nhiều công nghệ động cơ thông thường hơn nhưng đó là câu chuyện khác.
HYDROGEN PEROXIDE NHƯ MỘT CHẤT PHỤ GIA
Hydrogen Peroxide đã được tìm thấy khi được bơm làm chất phụ gia cho dầu Diesel ở mức 5%, có thể tăng hiệu suất lên 15%. Nó cũng làm giảm nhiệt độ khí thải (sẽ làm giảm Nox) và làm sạch động cơ.
TÁC DỤNG CỦA VIỆC PHUN HYDROGEN PEROXIDE VÀO ĐỘNG CƠ DIESEL
"Hiệu suất nhiệt phanh của động cơ tăng lên trong khi nhiệt độ khí thải giảm trong khi tăng nồng độ hydro peroxide với dầu diesel ở tất cả các mức tải do phân tử oxy bổ sung do hydro peroxide giải phóng đã dẫn đến quá trình đốt cháy tốt hơn. Hiệu suất tối đa 15,48% được quan sát thấy ở mức 50 phần trăm đầy tải khi động cơ sử dụng 5% hydro peroxide với dầu diesel cho áp suất phun 150 bar và thời điểm phun 10″
NGHIÊN CỨU CÔNG BỐ CƠ CHẾ TỔNG HỢP TRỰC TIẾP HYDROGEN PEROXIDE
Để làm cho Hydro peroxide trở thành nhiên liệu khả thi thì một số thay đổi phải được thực hiện để sản xuất an toàn và kinh tế hơn. Sau đây là một bước phát triển gần đây và có ý nghĩa trong việc đạt được mục tiêu này.
Từ Polyurethane làm ghế ô tô cho đến giấy làm từ bột gỗ tẩy trắng, clo có thể được tìm thấy trong nhiều quy trình sản xuất quy mô lớn. Nhưng trong khi clo rất tốt trong việc kích hoạt các liên kết mạnh của các phân tử, cho phép các nhà sản xuất tổng hợp các sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày, thì nó có thể là một hóa chất ngấm ngầm, đôi khi thoát ra môi trường dưới dạng các sản phẩm phụ nguy hiểm như chloroform và dioxin.
Do đó, các nhà khoa học và công ty đã khám phá một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn cho clo-hydro peroxide, hay H2O2.
Nhưng nó là một chất phản ứng đắt tiền. Hydrogen peroxide thường được sản xuất tại các cơ sở lớn, tập trung và cần năng lượng đáng kể để phân tách, cô đặc và vận chuyển.
Một số cơ sở quy mô lớn trên toàn cầu đã bắt đầu sản xuất H2O2 bằng quy trình hiện tại, nhưng ở cùng cơ sở với tiền chất polyurethane, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và năng lượng cũng như giảm tác động đến môi trường.
Lý tưởng nhất là các nhà máy quy mô nhỏ hơn cũng có thể sản xuất hydro peroxide tại chỗ, nhưng điều này sẽ đòi hỏi một bộ hóa học hoàn toàn khác, tổng hợp trực tiếp H2O2 từ khí hydro và khí oxy, theo các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign.
Nghiên cứu mới của David Flaherty, trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, và nghiên cứu sinh Neil Wilson tiết lộ cơ chế tổng hợp trực tiếp H2O2 trên các chất xúc tác cụm palladi và mở đường cho việc thiết kế các chất xúc tác cải tiến để tạo ra H2O2 sử dụng thay cho các chất độc hại. clo, không phụ thuộc vào quy mô của cơ sở sản xuất. Nghiên cứu xuất hiện dưới dạng câu chuyện trang bìa cho số ra ngày 20 tháng 1 năm 2016 của Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Wilson cho biết cơ chế thường được chấp nhận để tổng hợp trực tiếp H2O2 về cơ bản là các nguyên tử hydro và oxy liên kết với nhau trên bề mặt chất xúc tác và sau đó phản ứng. Để hiểu rõ hơn những gì đang diễn ra, ông đã dành hơn một năm để xây dựng một lò phản ứng, tinh chỉnh các quy trình thí nghiệm, sau đó thu thập và phân tích dữ liệu về tốc độ phản ứng.
"Những gì mọi người nghĩ đã xảy ra là sau khi các nguyên tử hydro vỡ ra và chúng được hấp phụ trên bề mặt palađi, chúng chỉ phản ứng với oxy trên bề mặt. Nhưng điều đó không thực sự phù hợp với những gì chúng tôi thấy," Wilson, người thứ tư cho biết. -sinh viên năm cuối tại phòng thí nghiệm của Flaherty và là tác giả đầu tiên của bài báo, "Cơ chế tổng hợp trực tiếp H2O2 trên các cụm Pd: Các con đường phản ứng dị thể tại giao diện lỏng-rắn."
Nổi bật trên trang bìa của tạp chí là một hình ảnh mô tả phát hiện của họ: Thay vì phản ứng với nhau trên bề mặt của chất xúc tác (cụm palladi), các nguyên tử hydro phân tách thành các thành phần của chúng – proton và electron. Các proton đi vào dung dịch nước và metanol xung quanh, trong khi các electron chảy qua chính palladium để tạo thành các phân tử oxy.
Wilson cho biết: “Khi oxy rơi xuống bề mặt, nó có thể phản ứng với các cặp proton và electron để tạo thành hydro peroxide.
"Lý do điều này rất quan trọng," Flaherty nói, "là bởi vì nó cung cấp cho chúng tôi hướng dẫn về cách tạo ra thế hệ tiếp theo của những vật liệu này. Tất cả đều được thúc đẩy bằng cách cố gắng tạo ra hydro peroxide rẻ hơn để có thể sản xuất dễ dàng hơn, vì vậy chúng ta có thể sử dụng nó thay cho clo. Nhưng chúng ta không biết làm thế nào để tạo ra một chất xúc tác tốt hơn những gì chúng ta có bây giờ."
Giờ đây, các nhà nghiên cứu sẽ hiểu rõ hơn về những gì đang xảy ra trên bề mặt chất xúc tác và đánh giá cao vai trò của các quá trình chuyển proton và electron trong hóa học này. Người ta không nhận ra rằng oxy trên bề mặt đã phản ứng với các loại pha lỏng và do đó, sự hình thành H2O2 bằng cách tổng hợp trực tiếp bị ảnh hưởng mạnh bởi chính dung dịch. Tuy nhiên, sự hình thành nước (phản ứng phụ không mong muốn) chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tính chất của bề mặt chất xúc tác.
Wilson nói: “Bây giờ chúng tôi đã hiểu những gì đang xảy ra trên bề mặt, chúng tôi có thể bắt đầu hướng tới thiết kế chất xúc tác hợp lý. Nhóm nghiên cứu hiện đang xem xét một chất xúc tác khác, vàng-palađi, đã được chứng minh trong nghiên cứu trước đây là rất chọn lọc đối với H2O2.
Wilson nói thêm: “Mọi người vẫn chưa hoàn toàn biết tại sao vàng-palađi lại có tính chọn lọc cao như vậy, nhưng có vẻ như cái nhìn sâu sắc về cơ học mới này sẽ giúp giải thích tính chọn lọc của những vật liệu này.
Flaherty cho biết, một số sinh viên trong phòng thí nghiệm của Flaherty hiện đang khám phá những cách khác nhau để "kết hợp trực tiếp hóa học này với các phản ứng sử dụng hydro peroxide cho quá trình oxy hóa xanh trong phạm vi chiều dài rất ngắn", tức là cách xa micromet. "Nếu chúng ta có thể đặt các chất xúc tác hình thành H2O2 này rất gần với thứ thực hiện phản ứng oxy hóa, thì chúng ta có thể tránh được toàn bộ vấn đề về tập trung và vận chuyển hydro peroxide."