En ljusaktiverad katalysator kan vara nyckeln till att spara väte

Rislabbets katalysator kan vara nyckeln till att spara väte

En reaktionscell som testar koppar-järn plasmoniska fotokatalysatorer för produktion av väte från ammoniak. Kredit: Brandon Martin/Rice University

Rice University forskare har konstruerat ett nyckelljusaktiverat nanomaterial för väteekonomin. Genom att endast använda billiga råvaror har ett team från Rice Nanophotonics Laboratory, Syzygy Plasmonics Inc. och Princeton Universitys Andlinger Center for Energy and the Environment har skapat en skalbar katalysator som bara behöver ljusets kraft för att omvandla ammoniak till rent vätebränsle.

Studien publicerades online idag i tidskriften vetenskap.

Studien spårar statliga och industriinvesteringar för att skapa infrastruktur och marknader för kolfritt flytande ammoniakbränsle som inte kommer att bidra till växthusuppvärmningen. Flytande ammoniak är lätt att transportera och packar mycket energi, med en kväve- och tre väteatomer per molekyl. Den nya katalysatorn bryter ner dessa molekyler till vätgas, ett rent brinnande bränsle, och kvävgas, den största komponenten i jordens atmosfär. Och till skillnad från traditionella katalysatorer kräver den ingen värme. Istället skördar den energi från ljus, antingen solljus eller energikrävande lysdioder.

Tempot på kemisk reaktion ökar vanligtvis med temperaturen, och kemikalietillverkare har utnyttjat detta i mer än ett sekel genom att applicera värme i industriell skala. Att bränna fossila bränslen för att höja temperaturen i stora reaktionskärl med hundratals eller tusentals grader resulterar i ett enormt koldioxidavtryck. Kemikalietillverkare spenderar också miljarder dollar varje år på termokatalysatorer – ämnen som inte reagerar utan accelererar ytterligare reaktioner under intensiv uppvärmning.






“Övergångsmetaller som järn är i allmänhet dåliga katalysatorer”, säger studieförfattaren Naomi Halas från Orez. “Detta arbete visar att de kan vara effektiva plasmoniska katalysatorer. Det visar också att fotokatalys kan utföras effektivt med billiga LED-fotonkällor.”

“Denna upptäckt banar väg för hållbart, billigt väte som kan produceras lokalt snarare än i massiva, centraliserade anläggningar”, säger Peter Nordlander, också medförfattare till Rice.

De bästa termoelementen är gjorda av platina och relaterade ädelmetaller som palladium, rodium och rutenium. Halas och Nordlander ägnade år åt att utveckla ljusaktiverade (plasmoniska) metallnanopartiklar. De bästa är också vanligtvis gjorda av ädla metaller som silver och guld.

i deras kölvatten Discovery 2011 av plasmoniska partiklar som avger kortlivade högenergielektroner som kallas “heta bärare”, är Upptäcktes 2016 att heta bärargeneratorer kan kopplas ihop med katalytiska partiklar för att producera hybrida “antennreaktorer” där en del skördar energi från ljus och den andra delen använder energin för att driva kemiska reaktioner med kirurgisk precision.

Halas, Nordlander, deras studenter och samarbetspartners har arbetat i åratal för att hitta billiga metallalternativ för både energiskörd och svarshastighetshalvor av antennreaktorer. Den nya studien är kulmen på detta arbete. I den visar Halas, Nordlander, Rice-examinerade Hossein Robatjazi, Princeton-ingenjören och fysikalisk kemist Emily Carter och andra att antennbrytande partiklar gjorda av koppar och järn är mycket effektiva för att omvandla ammoniak. Koppardelen, som lagrar energi, av partiklarna fångar energi från synligt ljus.

Rislabbets katalysator kan vara nyckeln till att spara väte

En reaktionscell (vänster) och den fotokatalytiska plattformen (höger) som används i tester av koppar-järn plasmoniska fotokatalysatorer för produktion av väte från ammoniak vid Syzygy Plasmonics i Houston. All reaktionsenergi för katalys kom från LED-lampor som producerade ljus vid en våglängd på 470 nm. Kredit: Syzygy Plasmonics, Inc.

“I frånvaro av ljus uppvisade koppar-järn-katalysatorn 300 gånger lägre reaktivitet än koppar-rutenium-katalysatorer, vilket inte är förvånande med tanke på att rutenium är en bättre termokatalysator för denna reaktion”, säger Robatjazi, Ph.D. En examen från forskargruppen Halas som för närvarande är Chief Scientist vid Syzygy Plasmonics i Houston. “Under belysning visade järn-koppar effektivitet och reaktivitet som liknade och jämförbara med koppar-rutenium.

Syzygy licensierade Rices antennreaktorteknologi, och forskningen inkluderade uppskalad testning av katalysatorn i företagets kommersiellt tillgängliga LED-drivna reaktorer. B Laboratorietester Bryce, järn-koppar-katalysatorerna belystes med laser. Syzygy-tester visade att katalysatorerna bibehöll sin effektivitet under LED-belysning och i en skala 500 gånger större än laboratorieinställningen.

Rislabbets katalysator kan vara nyckeln till att spara väte

Den fotokatalytiska plattformen som används i tester av koppar-järn plasmoniska fotokatalysatorer för produktion av väte från ammoniak. Kredit: Brandon Martin/Rice University

“Detta är den första rapporten i den vetenskapliga litteraturen som visar att fotokatalys med lysdioder kan producera vätgas i gramskala från ammoniak“, sa Halas. “Detta öppnar dörren för att helt ersätta ädelmetaller med plasmonik Fotokatalys.”

“Med tanke på deras potential att avsevärt minska koldioxidutsläppen från den kemiska sektorn, förtjänar plasmoniska antenn-reaktorfotokatalysatorer ytterligare forskning,” tillade Carter. “Dessa resultat är en stor motivation. De antyder att det är troligt att andra kombinationer av rikliga metaller kan användas som kostnadseffektiva katalysatorer för en mängd olika kemiska reaktioner.”

mer information:
Yigao Yuan et al, jordrik fotokatalysator för generering av H2 från NH3 med lysdiodbelysning, vetenskap (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636

tillhandahålls av
Rice University


citat: Lättdriven katalysator kan vara nyckeln till väteekonomin (2022, 24 november) Hämtad 25 november 2022 från https://phys.org/news/2022-11-light-powered-catalyst-key-hydrogen-economy. html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Med undantag för alla rättvisa transaktioner i forskningssyfte eller privata studier, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.