Naukowcy z Rice University opracowali kluczowy nanomateriał aktywowany światłem dla gospodarki wodorowej. Używając tylko niedrogich surowców, zespół z Rice’s Laboratory for Nanophotonics, Syzygy Plasmonics Inc. i Andlinger Center for Energy and the Environment na Uniwersytecie Princeton stworzył skalowalny katalizator, który potrzebuje tylko mocy światła, aby przekształcić amoniak w czysto spalające się paliwo wodorowe.
Wyniki badań zostały dziś opublikowane online w czasopiśmie Science.
Badania podążają za inwestycjami rządowymi i przemysłowymi w celu stworzenia infrastruktury i rynków dla bezemisyjnego ciekłego paliwa amoniakalnego, które nie przyczyni się do ocieplenia cieplarnianego. Ciekły amoniak jest łatwy w transporcie i zawiera dużo energii, z jednym atomem azotu i trzema atomami wodoru w cząsteczce. Nowy katalizator rozbija te cząsteczki na gazowy wodór, paliwo o czystym spalaniu i gazowy azot, największy składnik ziemskiej atmosfery. I w przeciwieństwie do tradycyjnych katalizatorów, nie wymaga ciepła. Zamiast tego pozyskuje energię ze światła, światła słonecznego lub energochłonnych diod LED.
Tempo reakcji chemicznych zwykle rośnie wraz z temperaturą, a producenci chemikaliów wykorzystują to od ponad wieku, stosując ciepło na skalę przemysłową. Spalanie paliw kopalnych w celu podniesienia temperatury dużych zbiorników reakcyjnych o setki lub tysiące stopni powoduje ogromny ślad węglowy. Producenci chemikaliów wydają również miliardy dolarów każdego roku na termokatalizatory – materiały, które nie reagują, ale przyspieszają reakcje przy intensywnym ogrzewaniu.
„Metale przejściowe, takie jak żelazo, są zazwyczaj słabymi termokatalizatorami” – powiedziała współautorka badania, Naomi Halas z Rice. „Ta praca pokazuje, że mogą być wydajnymi fotokatalizatorami plazmonowymi. Pokazuje również, że fotokataliza może być wydajnie przeprowadzana przy użyciu niedrogich źródeł fotonów LED”.
„To odkrycie toruje drogę do zrównoważonego, taniego wodoru, który mógłby być produkowany lokalnie, a nie w ogromnych, scentralizowanych elektrowniach” – powiedział Peter Nordlander, współautor Rice.
Najlepsze termokatalizatory są wykonane z platyny i pokrewnych metali szlachetnych, takich jak pallad, rod i ruten. Halas i Nordlander spędzili lata na opracowywaniu aktywowanych światłem lub plazmonicznych nanocząstek metali. Najlepsze z nich są również zwykle wykonane z metali szlachetnych, takich jak srebro i złoto.
Po odkryciu w 2011 roku cząstek plazmonicznych, które wydzielają krótkotrwałe, wysokoenergetyczne elektrony zwane „gorącymi nośnikami”, odkryli w 2016 roku, że generatory z gorącym nośnikiem mogą łączyć się z cząstkami katalitycznymi, tworząc hybrydowe „reaktory antenowe”, w których jeden część zbierała energię ze światła, a druga wykorzystywała ją do napędzania reakcji chemicznych z chirurgiczną precyzją.
Halas, Nordlander, ich studenci i współpracownicy od lat pracowali nad znalezieniem alternatywnych metali nieszlachetnych zarówno dla zbierających energię, jak i przyspieszających reakcje połówek reaktorów antenowych. Nowe badanie jest zwieńczeniem tej pracy. W nim Halas, Nordlander, absolwent Rice Hossein Robatjazi, inżynier z Princeton i fizykochemik Emily Carter i inni pokazują, że cząsteczki anteny-reaktora wykonane z miedzi i żelaza są bardzo wydajne w przetwarzaniu amoniaku. Miedziany, zbierający energię kawałek cząstek wychwytuje energię ze światła widzialnego.
„Pod nieobecność światła katalizator miedziowo-żelazowy wykazywał około 300 razy niższą reaktywność niż katalizatory miedziowo-rutenowe, co nie jest zaskakujące, biorąc pod uwagę, że ruten jest lepszym termokatalizatorem tej reakcji” – powiedział dr Robatjazi. absolwent grupy badawczej Halasa, który jest obecnie głównym naukowcem w firmie Syzygy Plasmonics z siedzibą w Houston. „Pod wpływem oświetlenia miedź-żelazo wykazywało wydajność i reaktywność, które były podobne i porównywalne z miedzią-rutenem.
Firma Syzygy udzieliła licencji na technologię reaktorów antenowych firmy Rice, a badania obejmowały testy katalizatora w dostępnych na rynku reaktorach zasilanych diodami LED. W testach laboratoryjnych w Rice katalizatory miedziowo-żelazowe zostały oświetlone laserami. Testy Syzygy wykazały, że katalizatory zachowały swoją skuteczność przy oświetleniu LED i w skali 500 razy większej niż w warunkach laboratoryjnych.
„To pierwszy raport w literaturze naukowej, który pokazuje, że fotokataliza za pomocą diod LED może wytwarzać gramowe ilości wodoru z amoniaku” – powiedział Halas. „To otwiera drzwi do całkowitego zastąpienia metali szlachetnych w fotokatalizie plazmonicznej”.
„Biorąc pod uwagę ich potencjał w zakresie znacznego zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w sektorze chemicznym, fotokatalizatory plazmoniczne z anteną-reaktorem są warte dalszych badań” – dodał Carter. „Wyniki te są świetnym motywatorem. Sugerują, że jest prawdopodobne, że inne kombinacje powszechnie występujących metali mogłyby zostać wykorzystane jako opłacalne katalizatory w szerokim zakresie reakcji chemicznych”.
Halas jest profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej Uniwersytetu Rice’a Stanleya C. Moore’a oraz profesorem chemii, bioinżynierii, fizyki i astronomii oraz materiałoznawstwa i nanoinżynierii. Nordlander jest profesorem fizyki i astronomii w Rice’s Wiess, profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz materiałoznawstwa i nanoinżynierii. Carter jest profesorem energii i środowiska Gerharda R. Andlingera w Princeton w Andlinger Center for Energy and the Environment, starszym doradcą strategicznym ds. nauk o zrównoważonym rozwoju w Princeton Plasma Physics Laboratory oraz profesorem inżynierii mechanicznej i lotniczej oraz matematyki stosowanej i obliczeniowej. Robatjazi jest także adiunktem chemii w Rice.
Halas i Nordlander są współzałożycielami Syzygy i posiadają udziały w spółce.
Badania były wspierane przez Fundację Welcha (C-1220, C-1222), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-15-1-0022), Syzygy Plasmonics, Departament Obrony i Uniwersytet Princeton.
Dodatkowi współautorzy to Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bales, Lin Yuan, Minhe Lou i Minhan Lou z Rice, Linan Zhou z Rice i South China University of Technology, Suman Khatiwada z Syzygy Plasmonics oraz Junwei Lucas Bao z Princeton i Boston College.