Un catalyseur peu coûteux utilise l'énergie lumineuse pour convertir l'ammoniac en hydrogène pour le carburant

Des chercheurs de l'Université Rice ont mis au point un important nanomatériau activé par la lumière pour l'économie de l'hydrogène. En utilisant des matières premières peu coûteuses, une équipe du Rice Laboratory for Nanophotonics, de Syzygy Plasmonics Inc. et du Andlinger Center for Energy and the Environment de l'Université de Princeton a développé un catalyseur évolutif qui ne nécessite que la puissance de la lumière pour convertir l'ammoniac en hydrogène propre. Les résultats de la recherche sont en ligne dans la revue Sciences .

La recherche fait suite à des investissements du gouvernement et de l'industrie pour créer des infrastructures et des marchés pour l'ammoniac liquide sans carbone qui ne contribue pas au réchauffement climatique. L'ammoniac liquide est facile à transporter et contient beaucoup d'énergie avec un atome d'azote et trois atomes d'hydrogène par molécule. Le nouveau catalyseur divise ces molécules en hydrogène gazeux, un carburant à combustion propre, et en azote gazeux, le plus grand composant de l'atmosphère terrestre. Et contrairement aux convertisseurs catalytiques traditionnels, il ne nécessite pas de chaleur. Au lieu de cela, il tire son énergie de la lumière, soit de la lumière du soleil, soit de LED à économie d'énergie.

La vitesse des réactions chimiques a tendance à augmenter avec la température, et les fabricants de produits chimiques en profitent en utilisant la chaleur à l'échelle industrielle depuis plus d'un siècle. Brûler des combustibles fossiles pour augmenter la température de grands réacteurs de centaines ou de milliers de degrés a une énorme empreinte carbone. Les fabricants de produits chimiques dépensent également des milliards de dollars chaque année en catalyseurs thermiques, des matériaux qui ne réagissent pas mais accélèrent davantage les réactions lorsqu'ils sont chauffés à des températures élevées.

"Les métaux de transition comme le fer ont tendance à être de mauvais thermocatalyseurs", a déclaré Naomi Halas, co-auteur de l'étude au Rice Institute. « Ce travail montre qu'ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Cela démontre également que la photocatalyse peut être effectuée efficacement avec des sources de photons LED peu coûteuses.

"Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et peu coûteux qui pourrait être produit localement plutôt que dans de grandes usines centrales", a déclaré Peter Nordlander, également co-auteur de Rice.

Les meilleurs catalyseurs thermiques sont fabriqués à partir de platine et de métaux nobles apparentés tels que le palladium, le rhodium et le ruthénium. Halas et Nordlander ont passé des années à développer des nanoparticules métalliques activées par la lumière ou plasmoniques. Les meilleurs d'entre eux sont également généralement fabriqués à partir de métaux précieux comme l'argent et l'or.

Après leur découverte en 2011 de particules plasmoniques qui émettent des électrons de courte durée et à haute énergie appelés "porteurs chauds", ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds peuvent être combinés avec des particules catalytiques pour créer des "antennes-réacteurs" hybrides où une partie capture l'énergie de la lumière et l'autre partie utilise l'énergie pour contrôler les réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Halas, Nordlander, leurs étudiants et collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives aux métaux non précieux pour les moitiés de récupération d'énergie et d'accélération de réaction des réacteurs d'antenne. La nouvelle étude est l'aboutissement de ce travail. Dans ce document, Halas, Nordlander, l'étudiant diplômé de Rice Hossein Robatjazi, l'ingénieur et physico-chimiste de Princeton Emily Carter et d'autres montrent que les particules de réacteur d'antenne en cuivre et en fer sont très efficaces pour convertir l'ammoniac. La partie en cuivre absorbant l'énergie des particules capte l'énergie de la lumière visible.

"En l'absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer a montré une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n'est pas surprenant puisque le ruthénium est un meilleur catalyseur thermique pour cette réaction", a déclaré Robatjazi, doctorant dans la recherche du Halas. group , qui est maintenant chercheur principal chez Syzygy Plasmonics à Houston. "Sous illumination, le cuivre-fer a montré une efficacité et une réactivité similaires à celles du cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie de réacteur d'antenne de Rice et l'étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs à LED disponibles dans le commerce de la société. Lors des essais en laboratoire à Rice, les catalyseurs cuivre-fer ont été illuminés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs maintenaient leur efficacité sous un éclairage LED, à une échelle 1 fois plus grande que la configuration du laboratoire.

"Il s'agit du premier rapport dans la littérature scientifique montrant que la photocatalyse avec des LED peut produire de l'hydrogène gazeux à l'échelle du gramme à partir d'ammoniac", a déclaré Halas. "Cela ouvre la porte au remplacement complet des métaux nobles dans la photocatalyse plasmonique."

"Compte tenu de leur potentiel à réduire considérablement les émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs à réacteur d'antenne plasmonique méritent une enquête plus approfondie", a ajouté Carter. « Ces résultats sont une belle motivation. Ils suggèrent que d'autres combinaisons de métaux communs pourraient également être utilisées comme catalyseurs peu coûteux pour un large éventail de réactions chimiques.

Halas est titulaire de la chaire Stanley C. Moore de génie électrique et informatique de Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d'astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nordlander est titulaire de la chaire Wiess et professeur de physique et d'astronomie à l'Université Rice, et professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nanotechnologie. Carter est professeur d'énergie et d'environnement Gerhard R. Andlinger à Princeton au Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, conseiller stratégique principal en science de la durabilité au laboratoire de physique des plasmas de Princeton et professeur de génie mécanique et aérospatial et de mathématiques appliquées et computationnelles. Robatjazi est également professeur agrégé de chimie à l'Université Rice.

Halas et Nordlander sont co-fondateurs de Syzygy et détiennent une participation dans la société.

Source : chemie.de et  La science; 24 novembre 2022 ; Vol 378, numéro 6622 ; pages 889-893