Il catalizzatore economico utilizza l'energia della luce per convertire l'ammoniaca in idrogeno per il carburante

I ricercatori della Rice University hanno sviluppato un importante nanomateriale attivato dalla luce per l'economia dell'idrogeno. Utilizzando materie prime poco costose, un team del Rice Laboratory for Nanophotonics, Syzygy Plasmonics Inc. e dell'Andlinger Center for Energy and the Environment dell'Università di Princeton ha sviluppato un catalizzatore scalabile che richiede solo la potenza della luce per convertire l'ammoniaca in idrogeno pulito. I risultati della ricerca sono online sulla rivista Scienze pubblicato.

La ricerca segue gli investimenti del governo e dell'industria per creare infrastrutture e mercati per il combustibile di ammoniaca liquida privo di carbonio che non contribuisce al riscaldamento globale. L'ammoniaca liquida è facile da trasportare e contiene molta energia con un 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 tradizionali convertitori catalitici, non richiede calore. Al contrario, trae energia dalla luce, dalla luce solare o dai LED a risparmio energetico.

La velocità delle reazioni chimiche tende ad aumentare con la temperatura e i produttori di sostanze chimiche ne approfittano utilizzando il calore su scala industriale da più di un secolo. Bruciare combustibili fossili per aumentare la temperatura di grandi recipienti di reazione di centinaia o migliaia di gradi ha un'enorme impronta di carbonio. I produttori di prodotti chimici spendono anche miliardi di dollari ogni anno in catalizzatori termici, materiali che non reagiscono ma accelerano ulteriormente le reazioni quando riscaldati a temperature elevate.

"I metalli di transizione come il ferro tendono ad essere dei poveri termocatalizzatori", ha affermato Naomi Halas, coautrice dello studio presso il Rice Institute. “Questo lavoro dimostra che possono essere efficienti fotocatalizzatori plasmonici. Dimostra anche che la fotocatalisi può essere eseguita in modo efficiente con sorgenti di fotoni LED poco costose».

"Questa scoperta apre la strada all'idrogeno sostenibile ea basso costo che potrebbe essere prodotto localmente piuttosto che in grandi impianti centrali", ha affermato Peter Nordlander, anche coautore di Rice.

I migliori catalizzatori termici sono realizzati in platino e relativi metalli nobili come palladio, rodio e rutenio. Halas e Nordlander hanno passato anni a sviluppare nanoparticelle metalliche attivate dalla luce, o plasmoniche. I migliori sono solitamente realizzati anche con metalli preziosi come argento e oro.

Dopo la 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 combinati con particelle catalitiche per creare "reattori-antenna" ibridi in cui una parte cattura energia dalla luce e l'altra parte utilizza l'energia per controllare le reazioni chimiche con precisione chirurgica.

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 l'accelerazione della reazione dei reattori dell'antenna. Il nuovo studio è il culmine di questo lavoro. In esso, Halas, Nordlander, lo studente laureato della Rice Hossein Robatjazi, l'ingegnere di Princeton e chimico fisico Emily Carter e altri mostrano che le particelle del reattore dell'antenna fatte di rame e ferro sono molto efficienti nel convertire l'ammoniaca. La parte in rame delle particelle che assorbe l'energia cattura l'energia dalla luce visibile.

"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 poiché il rutenio è un catalizzatore termico migliore per questa reazione", ha affermato Robatjazi, uno studente di dottorato nella ricerca di Halas gruppo , che ora è uno scienziato senior presso Syzygy Plasmonics a Houston. "Sotto illuminazione, il rame-ferro ha mostrato un'efficienza e una reattività simili a quelle del rame-rutenio.

Syzygy ha concesso in licenza la tecnologia del reattore ad antenna di Rice e lo studio ha incluso test su vasta scala del catalizzatore nei reattori a LED disponibili in commercio dell'azienda. Durante i test di laboratorio a Rice, i catalizzatori rame-ferro sono stati illuminati con laser. I test Syzygy hanno mostrato che i catalizzatori mantenevano la loro efficienza sotto l'illuminazione a LED, su una scala 1 volte maggiore rispetto alla configurazione del laboratorio.

"Questo è il primo rapporto nella letteratura scientifica che mostra che la fotocatalisi con i LED può produrre idrogeno gassoso su scala di grammi dall'ammoniaca", ha affermato Halas. "Questo apre la porta alla sostituzione completa dei metalli nobili nella fotocatalisi plasmonica".

"Dato il loro potenziale per ridurre significativamente le emissioni di carbonio dal settore chimico, i fotocatalizzatori del reattore ad antenna plasmonica meritano ulteriori indagini", ha aggiunto Carter. “Questi risultati sono un grande stimolo. Suggeriscono che anche altre combinazioni di metalli comuni potrebbero essere utilizzate come catalizzatori poco costosi per un'ampia gamma di reazioni chimiche».

Halas è Stanley C. Moore professore di ingegneria elettrica e informatica della Rice e professore di chimica, bioingegneria, fisica e astronomia, scienza dei materiali e nanoingegneria. Nordlander è Wiess Chair e Professore di Fisica e Astronomia presso la Rice University, e Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica, Scienza dei Materiali e Nanotecnologia. Carter è Gerhard R. Andlinger Professor di Energia e Ambiente di Princeton presso l'Andlinger Center for Energy and the Environment, Senior Strategic Advisor in Sustainability Science presso Princeton Plasma Physics Laboratory e Professore di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale e Matematica Applicata e Computazionale. Robatjazi è anche Professore Associato di Chimica alla Rice University.

Halas e Nordlander sono co-fondatori di Syzygy e detengono una partecipazione nella società.

Fonte: chemie.de e  Scienza; 24 novembre 2022; Vol 378, Numero 6622; pp. 889-893