Un catalizzatore alimentato dalla luce potrebbe essere la chiave per l’economia dell’idrogeno

Una cella di reazione valuta i fotocatalizzatori plasmonici rame-ferro per la produzione di idrogeno dall’ammoniaca. Credito: Brandon Martin/Rice University

I ricercatori della Rice University hanno progettato un nanomateriale attivato dalla luce chiave per l’economia dell’idrogeno. Utilizzando solo materie prime poco costose, un team del Rice’s Laboratory for Nanophotonics, Syzygy Plasmonics Inc. e l’Andlinger Center for Energy and the Environment della Princeton University hanno creato un catalizzatore scalabile che richiede solo la potenza della luce per convertire l’ammoniaca in combustibile a idrogeno a combustione pulita.

La ricerca è pubblicata online oggi sulla rivista Scienza.

La ricerca segue gli investimenti del governo e dell’industria per creare infrastrutture e mercati per il combustibile liquido ammoniacale privo di carbonio che non contribuisce al riscaldamento dell’effetto serra. L’ammoniaca liquida è facile da trasportare e contiene molta energia, con un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno per molecola. Il nuovo catalizzatore divide queste molecole in idrogeno gassoso, un combustibile a combustione pulita, e azoto gassoso, il più grande componente dell’atmosfera terrestre. E a differenza dei catalizzatori tradizionali, non richiede calore. Al contrario, trae energia dalla luce, dalla luce del sole o dai LED avari di energia.

La velocità delle reazioni chimiche generalmente aumenta con la temperatura e i produttori di sostanze chimiche lo hanno sfruttato per più di un secolo applicando il calore su scala industriale. Bruciare combustibili fossili per aumentare la temperatura di grandi recipienti di reazione di centinaia o migliaia di gradi si traduce in un’enorme impronta di carbonio. I produttori di sostanze chimiche spendono anche miliardi di dollari ogni anno in termocatalizzatori, materiali che non reagiscono ma accelerano le reazioni in condizioni di calore estremo.






“I metalli di transizione come il ferro sono spesso scarsi termocatalizzatori”, ha detto il coautore dello studio Naomi Halas di Rice. “Questo lavoro dimostra che possono essere efficienti fotocatalizzatori plasmonici. Mostra anche che la fotocatalisi può essere eseguita in modo efficiente con sorgenti di fotoni LED a basso costo”.

“Questa scoperta apre la strada all’idrogeno sostenibile ea basso costo che può essere prodotto localmente piuttosto che in enormi impianti centralizzati”, ha affermato Peter Nordlander, anche coautore di Rice.

I migliori termocatalizzatori sono realizzati in platino e relativi metalli preziosi come palladio, rodio e rutenio. Halas e Nordlander hanno passato anni a sviluppare nanoparticelle metalliche attivate dalla luce (plasmoniche). I migliori di questi sono solitamente realizzati con metalli preziosi come argento e oro.

In seguito alla loro scoperta nel 2011 di particelle plasmoniche che emettono elettroni ad alta energia di breve durata chiamati “portatori caldi”, hanno scoperto nel 2016 che i generatori di portatori caldi possono essere accoppiati con particelle catalitiche per costruire “reattori-antenna” ibridi, dove uno parte raccoglie energia dalla luce e l’altra parte utilizza l’energia per guidare le reazioni chimiche con precisione operativa.

Halas, Nordlander, i loro studenti e collaboratori hanno lavorato per anni per trovare alternative di metalli non preziosi sia per la raccolta di energia che per la velocità di reazione dei reattori dell’antenna. Il nuovo studio è il culmine di quel lavoro. In esso, Halas, Nordlander, l’alunno della Rice Hossein Robatjazi, l’ingegnere di Princeton e il chimico fisico Emily Carter e altri mostrano che le particelle del reattore dell’antenna fatte di rame e ferro sono molto efficienti nella conversione dell’ammoniaca. Il pezzo di particelle di rame che raccoglie energia cattura l’energia dalla luce visibile.

Il catalizzatore del laboratorio di riso potrebbe essere la chiave per l'economia dell'idrogeno

Una cella di reazione (a sinistra) e la piattaforma fotocatalitica (a destra) utilizzate nei test dei fotocatalizzatori plasmonici rame-ferro per la produzione di idrogeno dall’ammoniaca presso Syzygy Plasmonics a Houston. Tutta l’energia di reazione per la catalisi proviene da LED che producono luce con una lunghezza d’onda di 470 nanometri. Credito: Syzygy Plasmonics, Inc.

“In assenza di luce, il catalizzatore rame-ferro ha mostrato una reattività circa 300 volte inferiore rispetto ai catalizzatori rame-rutenio, il che non sorprende dato che il rutenio è un termocatalizzatore migliore per questa reazione”, ha affermato Robatjazi, Ph.D. alunno del gruppo di ricerca di Halas che ora è capo scienziato presso Syzygy Plasmonics con sede a Houston. “Sotto illuminazione, il rame-ferro ha mostrato efficienze e reattività simili e paragonabili al rame-rutenio.

Syzygy ha concesso in licenza la tecnologia del reattore antenna di Rice e lo studio ha incluso test ingranditi del catalizzatore nei reattori alimentati a LED disponibili in commercio dell’azienda. Nei test di laboratorio alla Rice, i catalizzatori rame-ferro sono stati illuminati con i laser. I test presso Syzygy hanno mostrato che i catalizzatori mantengono la loro efficienza sotto l’illuminazione a LED e su una scala 500 volte più grande della configurazione del laboratorio.

Il catalizzatore del laboratorio di riso potrebbe essere la chiave per l'economia dell'idrogeno

La piattaforma fotocatalitica utilizzata nei test dei fotocatalizzatori plasmonici rame-ferro per la produzione di idrogeno dall’ammoniaca. Credito: Brandon Martin/Rice University

“Questo è il primo rapporto nella letteratura scientifica a dimostrare che la fotocatalisi con i LED può produrre quantità di idrogeno gassoso in scala di grammi dall’ammoniaca”, ha affermato Halas. “Questo apre la porta per sostituire completamente i metalli preziosi nella fotocatalisi plasmonica”.

“A causa del loro potenziale per ridurre significativamente le emissioni di carbonio del settore chimico, i fotocatalizzatori del reattore ad antenna plasmonica meritano ulteriori studi”, ha aggiunto Carter. “Questi risultati sono una grande motivazione. Suggeriscono che è probabile che altre combinazioni di metalli abbondanti possano essere utilizzate come catalizzatori economici per un’ampia gamma di reazioni chimiche”.

Informazioni aggiuntive:
Yigao Yuan et al, Fotocatalizzatore abbondante sulla Terra per la generazione di H2 da NH3 con illuminazione a diodi emettitori di luce, Scienza (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636

Fornito dalla Rice University

Citazione: Un catalizzatore alimentato dalla luce potrebbe essere la chiave per l’economia dell’idrogeno (2022, 24 novembre) recuperato il 24 novembre 2022 da https://phys.org/news/2022-11-light-powered-catalyst -key-hydrogen- economia.html

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