Egy könnyű meghajtású katalizátor rejtheti magában a hidrogéngazdaság kulcsát

Egy reakciósejt teszteli a réz-vas plazmonikus fotokatalizátorokat az ammóniából történő hidrogéntermelés szempontjából. Köszönetnyilvánítás: Brandon Martin/Rice University

A Rice Egyetem kutatói fontos, fényaktivált nanoanyagot fejlesztettek ki a hidrogéngazdaság számára. Csak olcsó nyersanyagokat használva a Rice’s Laboratory for Nanophotonics csapata, a Syzygy Plasmonics Inc. és a Princeton Egyetem Andlinger Energia- és Környezetvédelmi Központja egy méretezhető katalizátor, amely csak a fény erejét igényli az ammónia tisztán égő hidrogén üzemanyaggá alakításához.

A kutatás ma megjelent online a folyóiratban Tudomány.

A kutatás nyomon követi a kormányzati és ipari beruházásokat, amelyek célja olyan szén-dioxid-mentes folyékony ammónia üzemanyagok infrastruktúrájának és piacainak létrehozása, amelyek nem járulnak hozzá a globális felmelegedéshez. A folyékony ammónia könnyen szállítható és nagy energiájú, molekulánként egy nitrogén- és három hidrogénatomot tartalmaz. Az új katalizátor ezeket a molekulákat hidrogéngázra, egy tisztán égő üzemanyagra és nitrogéngázra, a Föld légkörének legnagyobb összetevőjére bontja le. És a hagyományos katalizátorokkal ellentétben nem igényel hőt. Ehelyett fényből nyeri be az energiát, akár a napfényből, akár az energiaéhes LED-ekből.

A kémiai reakciók sebessége jellemzően a hőmérséklettel növekszik, és a vegyszergyártók ezt több mint egy évszázada kamatoztatják ipari méretekben történő hő alkalmazásával. A fosszilis tüzelőanyagok elégetése a nagy reakcióedények hőmérsékletének több száz vagy ezer fokkal történő emelése érdekében hatalmas környezeti lábnyomot eredményez. A vegyszergyártók évente dollármilliárdokat is költenek termokatalizátorokra – olyan anyagokra, amelyek nem reagálnak, de felgyorsítják a reakciókat intenzív melegítés mellett.






“Az átmeneti fémek, mint a vas, általában gyenge termokatalizátorok” – mondta a Rice társszerzője, Naomi Halas. “Ez a munka azt mutatja, hogy hatékony plazmonikus fotokatalizátorok lehetnek. Azt is megmutatja, hogy a fotokatalízis hatékonyan elvégezhető alacsony költségű LED-fotonforrásokkal.”

“Ez a felfedezés megnyitja az utat a fenntartható, alacsony költségű hidrogén felé, amelyet helyben lehet előállítani, nem pedig hatalmas központosított üzemekben” – mondta Peter Nordlander, a Rice társszerzője.

A legjobb termokatalizátorok platinából és rokon nemesfémekből, például palládiumból, ródiumból és ruténiumból készülnek. Halas és Nordlander éveket töltött a fényaktivált (plazmonikus) fém nanorészecskék fejlesztésével. Ezek közül a legjobbak általában nemesfémekből, például ezüstből és aranyból készülnek.

Miután 2011-ben felfedezték a plazmonikus részecskéket, amelyek rövid élettartamú, nagy energiájú elektronokat szabadítanak fel, úgynevezett “forró hordozók”, 2016-ban felfedezték, hogy a forró hordozó generátorokat katalitikus részecskékkel kombinálva hibrid “légi reaktorokat” állíthatnak elő, így az energia egy részét gyűjtik össze. fényből, a másik része pedig az energiát kémiai reakciók sebészi pontossággal történő meghajtására használta fel.

Halas, Nordlander, tanítványaik és munkatársaik éveket töltöttek azzal, hogy nem nemesfémektől eltérő alternatívákat találjanak az antennareaktorok energiagyűjtő és reakciógyorsított felére egyaránt. Az új tanulmány ennek a munkának a csúcspontja. Ebben Halas, Nordlander, a Rice öregdiákja, Hossein Robatjazi, a Princeton mérnöke és fizikai vegyésze, Emily Carter és mások azt mutatják be, hogy a rézből és vasból készült légi reaktorrészecskék rendkívül hatékonyak az ammónia átalakítására. A részecskék réz, energia-begyűjtő része a látható fényből veszi fel az energiát.

A Rice Lab katalizátora a hidrogéngazdaság kulcsát rejtheti

Egy reakciócella (balra) és a fotokatalitikus platform (jobbra), amelyet a houstoni Syzygy Plasmonics ammóniából történő hidrogén előállítására szolgáló réz-vas plazmonos fotokatalizátorok teszteléséhez használnak. A katalízis teljes reakcióenergiája olyan LED-ekből származott, amelyek 470 nanométer hullámhosszú fényt bocsátottak ki. hitel: Syzygy Plasmonics, Inc.

“Fény hiányában a réz-vas katalizátor körülbelül 300-szor alacsonyabb reaktivitást mutatott, mint a réz-ruténium katalizátorok, ami nem meglepő, mivel a ruténium jobb termokatalizátor ehhez a reakcióhoz” – mondta Robatjazi, Ph.D. Halas kutatócsoportjának öregdiákja, aki jelenleg a houstoni Syzygy Plasmonics vezető tudósa. “Megvilágítás mellett a réz-vas hatékonysága és reakcióképessége hasonló és hasonló volt a réz-ruténiuméhoz.

A Syzygy licencelte a Rice antennareaktor technológiáját, és a tanulmány kiterjedt a katalizátor tesztelésére a vállalat kereskedelmi forgalomban kapható LED-es reaktoraiban. A Rice-i laboratóriumi vizsgálatok során a réz-vas katalizátorokat lézerrel világították meg. A Syzygy-tesztek azt mutatták, hogy a katalizátorok megőrizték hatékonyságukat LED-es világítás mellett, és a laboratóriumi beállításoknál 500-szor nagyobb léptékben.

A Rice Lab katalizátora a hidrogéngazdaság kulcsát rejtheti

A fotokatalitikus platform ammóniából hidrogén előállítására használt réz-vas plazmonikus fotokatalizátorok tesztelésére. Köszönetnyilvánítás: Brandon Martin/Rice University

“Ez az első jelentés a tudományos irodalomban, amely kimutatja, hogy a LED-ekkel végzett fotokatalízis grammos mennyiségű hidrogéngázt képes előállítani ammóniából” – mondta Halas. “Ez megnyitja az ajtót a nemesfémek teljes helyettesítésére a plazmonikus fotokatalízisben.”

“Tekintettel arra, hogy képesek jelentősen csökkenteni a vegyi ágazat szén-dioxid-kibocsátását, a plazmonikus légi reaktorok fotokatalizátorai további tanulmányozást érdemelnek” – tette hozzá Carter. “Ezek az eredmények nagyszerű motivációt jelentenek. Azt sugallják, hogy a nagy mennyiségben előforduló fémek más kombinációi is felhasználhatók költséghatékony katalizátorként számos kémiai reakcióhoz.”

Több információ:
Yigao Yuan és munkatársai, Földben bőséges fotokatalizátor H2 előállításához NH3-ból fénykibocsátó dióda megvilágítással, Tudomány (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636

A Rice University által kínált

Idézet: A könnyű meghajtású katalizátor kulcsfontosságú lehet a hidrogéngazdaságban (2022. november 24.) Letöltve 2022. november 25-én a https://phys.org/news/2022-11-light-powered-catalyst-key-hydrogen webhelyről – gazdaság.html

Ez a dokumentum szerzői jogvédelem alatt áll. A magántanulmányi vagy kutatási célú tisztességes üzletmenet kivételével írásos engedély nélkül semmi más nem reprodukálható. A tartalom kizárólag tájékoztató jellegű.

Leave a Comment

%d bloggers like this: