Next gEneration PGM-Free EleCtrocatalysts for the Green Electrosynthesis of Hydrogen PerOxide and Electro-Fenton preservation of Aqueous Environments

L'impatto ambientale dei prodotti farmaceutici è stato per decenni al centro dell'attenzione accademica e normativa. L'introduzione e il rilascio di principi attivi farmaceutici negli ecosistemi potrebbe, secondo alcuni studi, essere una delle cause nascoste della crisi globale della fauna selvatica. Inoltre, questo è un campo di ricerca con notevoli incognite, poiché non ci sono ancora prove sufficienti per giudicare quale effetto abbiano sul mondo naturale i farmaci, progettati per essere biologicamente attivi a basse concentrazioni. La presenza di droghe nell'ambiente è onnipresente, come evidenziato da un'analisi completa commissionata dal Ministero dell'Ambiente tedesco nel 2014. Su 713 farmaci selezionati come campioni per lo studio, ben 631 (o i loro metaboliti/prodotti trasformati) sono stati trovati in concentrazioni superiori ai limiti di rilevabilità in 71 paesi nel mondo e, molto sorprendentemente, anche nei paesi meno sviluppati. I vari tipi di farmaci (ormoni, farmaci antitumorali, antidepressivi, antibiotici, ecc.) sono stati rilevati principalmente nelle acque superficiali (laghi e fiumi) ma anche nelle falde acquifere e persino nell'acqua potabile e nel letame. Ciò che è più allarmante è che i trattamenti standard dell'acqua spesso non sono in grado di garantire una disintossicazione totale, il che richiede tecnologie più avanzate. Il perossido di idrogeno rappresenta un composto cruciale con molteplici applicazioni grazie al suo forte potere ossidante combinato con il basso impatto ambientale, essendo H2O unico sottoprodotto. Più del 95% della produzione di H2O2 su larga scala è attualmente effettuata dal processo antrachinonico che, nel 2015, rappresentava quasi 4,3 Mt di produzione di H2O2, consumando 17,6 kWh per kg di H2O2 e portando a un consumo energetico annuo di ~8,6 GWyr. Questa energia viene fornita principalmente tramite la combustione di combustibili fossili, che si aggiunge alla già sostanziale impronta di carbonio del processo di steam reforming del metano utilizzato per produrre l'H2 necessario per l'idrogenato di O2. Un modo alternativo è la sintesi diretta di H2O2 da H2 e O2 catalizzata da catalizzatori a base di Pd, sebbene questo metodo sia più energeticamente più dispendioso e manchi di selettività. In alternativa, la sintesi di H2O2 con elettricità rinnovabile può ridurre sostanzialmente l'impronta di carbonio, con l'ulteriore vantaggio di sviluppare dispositivi portatili. L'intento di questo progetto è quello di sviluppare e studiare elettrocatalizzatori economici ed ecologici per l'elettrogenerazione di H2O2 da utilizzare nei processi Electro-Fenton per la potabilizzazione dell'acqua. In particolare, verrà studiata la capacità comparativa di degradazione dei diversi catalizzatori trattando soluzioni target di prodotti farmaceutici a pH debolmente acido. Il progetto si baserà sulle diverse competenze dei partner, che si completeranno a vicenda e convergeranno verso i) una progettazione sintetica guidata dalla teoria di tre classi di materiali catalitici basata su elementi prontamente disponibili, ii) la comprensione della relazione struttura/attività con riguardano il 2e-ORR mediante un arsenale di tecniche spettroscopiche, microscopiche, elettrochimiche e altre tecniche fisiche, iii) la valutazione della sintesi in-situ di soluzioni acquose di H2O2 con concentrazioni specifiche per la degradazione di prodotti farmaceutici.

The environmental impact of pharmaceutical products has been the focus of academic and regulatory attention for decades. The introduction and release of active pharmaceutical ingredients into ecosystems could, according to some studies, be one of the hidden causes of the global wildlife crisis. Moreover, this is a field of research with considerable unknowns, as there is still insufficient evidence to judge what effect the drugs, designed to be biologically active at low concentrations, have on the natural world. The presence of drugs in the environment is ubiquitous, as evidenced by a comprehensive review commissioned by the German Ministry of the Environment in 2014. Out of 713 drugs selected as samples for the study, as many as 631 (or their metabolites/processed products) were found in concentrations above detection limits in 71 countries worldwide and, very surprisingly, also in less developed countries. The various types of drugs (hormones, anticancer drugs, antidepressants, antibiotics, etc.) were detected mainly in surface water (lakes and rivers) but also in groundwater and even in drinking water and manure. What is most alarming is that standard water treatments are frequently unable to ensure total detoxification, which urges for more advanced technologies. Hydrogen peroxide represents a crucial commodity with manifold applications due to its strong oxidizing power while having nothing less than H2O as a byproduct. More than 95% large-scale H2O2 production is currently carried out by the anthraquinone process that, in 2015, accounted for almost 4.3 Mt of H2O2 production, consuming 17.6 kWh per H2O2 kg, and leading to an annual energy consumption of ~8.6 GWyr. This energy is mainly supplied via fossil fuel combustion, which adds to the already substantial carbon footprint of the methane steam reforming process used to produce the required H2 for hydrogenate O2. An alternative way is the direct synthesis of H2O2 from H2 and O2 catalyzed by Pd based catalysts, though this method is more energy intensive and lacks selectivity. Alternatively, the synthesis of H2O2 with renewable electricity can substantially reduce the carbon footprint, with the extra advantage of developing portable devices. The intent of this project is to develop and investigate cost-effective and green electrocatalysts for the electrogeneration of H2O2 to be used in Electro-Fenton processes for potabilization of water. In particular, the comparative degradation ability of the different catalysts will be investigated by treating target solutions of pharmaceutical products at mildly acidic pH. The project will build upon the partners’ different competencies, which will complement each other and converge towards i) a theory-guided synthetic design of three classes of catalytic materials based on readily available elements, ii) the understanding of the structure/activity relationship with regard the 2e-ORR by means of an arsenal of spectroscopic, microscopic, electrochemical and other physical techniques, iii) the evaluation of the in-situ synthesis of H2O2 aqueous solutions with specific concentrations for degradation of pharmaceutical products.