Катализатор, захранван със светлина, може да бъде ключов за икономиката на водорода


Катализаторът на лабораторията за ориз може да бъде ключов за водородната икономика

Реакционна клетка тества медно-железни плазмонични фотокатализатори за производство на водород от амоняк. Кредит: Брандън Мартин/Университет Райс

Изследователи от университета Райс са създали ключов светлинно активиран наноматериал за водородната икономика. Използвайки само евтини суровини, екип от Лабораторията на Райс за нанофотоника, Syzygy Plasmonics Inc. и Центъра за енергетика и околна среда Andlinger на Принстънския университет създаде мащабируем катализатор, който се нуждае само от силата на светлината, за да превърне амоняка в чисто горящо водородно гориво.

Изследването е публикувано онлайн днес в списанието Наука.

Изследването следва правителствени и индустриални инвестиции за създаване на инфраструктура и пазари за течно амонячно гориво без въглерод, което няма да допринесе за парниковото затопляне. Течният амоняк е лесен за транспортиране и съдържа много енергия, с един азотен и три водородни атома на молекула. Новият катализатор разгражда тези молекули на водороден газ, гориво с чисто изгаряне, и азотен газ, най-големият компонент на земната атмосфера. И за разлика от традиционните катализатори, той не изисква топлина. Вместо това, той събира енергия от светлина, или слънчева светлина, или енергийно оскъдни светодиоди.

Темпото на химична реакция обикновено се увеличава с температурата и производителите на химикали се възползват от това повече от век, като прилагат топлина в индустриален мащаб. Изгарянето на изкопаеми горива за повишаване на температурата на големи реакционни съдове със стотици или хиляди градуси води до огромен въглероден отпечатък. Производителите на химикали също харчат милиарди долари всяка година за термокатализатори – материали, които не реагират, но допълнително ускоряват реакциите при интензивно нагряване.






„Преходните метали като желязото обикновено са лоши термокатализатори“, каза съавторът на изследването Наоми Халас от Райс. “Тази работа показва, че те могат да бъдат ефективни плазмонични фотокатализатори. Също така демонстрира, че фотокатализата може да се извърши ефективно с евтини източници на LED фотони.”

„Това откритие проправя пътя за устойчив, евтин водород, който може да се произвежда на местно ниво, а не в масивни централизирани инсталации“, каза Питър Нордландер, също съавтор на Райс.

Най-добрите термокатализатори са направени от платина и сродни благородни метали като паладий, родий и рутений. Halas и Nordlander прекараха години в разработването на светлинно активирани (плазмонични) метални наночастици. Най-добрите от тях също обикновено са направени от благородни метали като сребро и злато.

Следвайки техните Откритие от 2011 г на плазмонични частици, които отделят краткотрайни, високоенергийни електрони, наречени „горещи носители“, те открит през 2016 г че генераторите с горещи носители могат да бъдат съчетани с каталитични частици, за да произведат хибридни „антенни реактори“, където една част събира енергия от светлина, а другата част използва енергията, за да управлява химични реакции с хирургическа прецизност.

Halas, Nordlander, техните студенти и сътрудници са работили години наред, за да намерят алтернативи от неблагородни метали както за събиращата енергия, така и за ускоряващата реакция половина на антенните реактори. Новото проучване е кулминацията на тази работа. В него Халас, Нордлендър, възпитаникът на Райс Хосейн Робатязи, инженерът и физикохимик от Принстън Емили Картър и други показват, че частиците от антена-реактор, направени от мед и желязо, са много ефективни при превръщането на амоняк. Медното, събиращо енергия парче от частиците улавя енергия от видимата светлина.

Катализаторът на лабораторията за ориз може да бъде ключов за водородната икономика

Реакционна клетка (вляво) и фотокаталитична платформа (вдясно), използвани при тестове на медно-железни плазмонични фотокатализатори за производство на водород от амоняк в Syzygy Plasmonics в Хюстън. Цялата реакционна енергия за катализа идва от светодиоди, които произвеждат светлина с дължина на вълната от 470 нанометра. Кредит: Syzygy Plasmonics, Inc.

„При липса на светлина медно-железният катализатор показва около 300 пъти по-ниска реактивност от медно-рутениевите катализатори, което не е изненадващо, като се има предвид, че рутеният е по-добър термокатализатор за тази реакция“, каза Робатязи, доктор на науките. възпитаник от изследователската група на Халас, който сега е главен учен в базираната в Хюстън Syzygy Plasmonics. „При осветяване медно-желязото показа ефективност и реактивност, които бяха подобни и сравними с тези на мед-рутений.

Syzygy е лицензирала технологията за антена-реактор на Rice и проучването включва мащабни тестове на катализатора в наличните в търговската мрежа реактори на компанията, захранвани със светодиоди. в лабораторни изследвания в Райс медно-железните катализатори са били осветени с лазери. Тестовете на Syzygy показаха, че катализаторите запазват ефективността си при LED осветление и в мащаб 500 пъти по-голям от лабораторната настройка.

Катализаторът на лабораторията за ориз може да бъде ключов за водородната икономика

Фотокаталитичната платформа, използвана при тестове на медно-железни плазмонични фотокатализатори за производство на водород от амоняк. Кредит: Брандън Мартин/Университет Райс

„Това е първият доклад в научната литература, който показва, че фотокатализата със светодиоди може да произведе количества водороден газ в грамова скала от амоняк“, каза Халас. “Това отваря вратата за пълна замяна на благородните метали в плазмониката фотокатализа.”

„Като се има предвид техният потенциал за значително намаляване на въглеродните емисии в химическия сектор, фотокатализаторите на плазмонични антени-реактори заслужават допълнително проучване“, добави Картър. “Тези резултати са страхотен мотиватор. Те предполагат, че е вероятно други комбинации от изобилни метали да се използват като рентабилни катализатори за широк спектър от химични реакции.”

Повече информация:
Yigao Yuan et al, изобилен от Земята фотокатализатор за генериране на H2 от NH3 със светлинно диодно осветление, Наука (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636

Предоставена от
Университет Райс


Цитат: Задвижван от светлина катализатор може да бъде ключов за водородната икономика (2022 г., 24 ноември) извлечено на 25 ноември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-11-light-powered-catalyst-key-hydrogen-economy.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.