Des chercheurs de l’Université Rice ont mis au point un nanomatériau activé par la lumière pour l’économie de l’hydrogène. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du Rice Nanophotonics Lab, de Syzygy Plasmonics Inc. et du Andlinger Center for Energy and the Environment de l’Université de Princeton a créé un catalyseur évolutif qui ne nécessite que la puissance de la lumière pour convertir l’ammoniac en hydrogène à combustion propre.
La recherche est publiée en ligne aujourd’hui dans la revue La science.
La recherche suit les investissements du gouvernement et de l’industrie pour créer des infrastructures et des marchés pour l’ammoniac liquide sans carbone qui ne contribuera pas au réchauffement à effet de serre. 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 décompose 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 catalyseurs traditionnels, il ne nécessite pas de chaleur. Au lieu de cela, il collecte l’énergie de la lumière, soit la lumière du soleil, soit des LED gourmandes en énergie.
La vitesse des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques en ont profité pendant plus d’un siècle en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température de grands réacteurs de centaines ou de milliers de degrés entraîne une énorme empreinte carbone. Les fabricants de produits chimiques dépensent également des milliards de dollars chaque année en thermocatalyseurs – des matériaux qui ne réagissent pas mais qui accélèrent quand même les réactions sous un chauffage intense.
“Les métaux de transition comme le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs”, a déclaré la co-auteure de l’étude, Naomi Halas de Ross. “Ce travail montre qu’ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Cela montre également que la photocatalyse peut être effectuée efficacement avec des sources de photons LED bon marché.”
“Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et peu coûteux qui peut être produit localement plutôt que dans des usines centralisées massives”, a déclaré Peter Nordlander, également co-auteur avec Rice.
Les meilleurs thermocatalyseurs sont constitués de platine et de métaux précieux 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 sont également généralement fabriqués avec des métaux précieux comme l’argent et l’or.
Suite à leur découverte en 2011 de particules plasmoniques qui émettent des électrons à haute énergie et à courte durée de vie appelés « porteurs chauds », ils ont découvert en 2016 que des générateurs de porteurs chauds pouvaient être couplés à des particules catalytiques pour produire des « réacteurs hybrides d’antennes, dont une partie était récoltée. l’énergie. de la lumière et l’autre partie utilisait de l’énergie pour provoquer des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.
Halas, Nordlander, leurs étudiants et collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives aux métaux de base pour les réacteurs d’antenne de récupération d’énergie et d’accélération de réaction. La nouvelle étude est l’aboutissement de ce travail. Dans ce document, Halas, Nordlander, l’ancien étudiant de Rice Hossein Robatjazi, l’ingénieur de Princeton et physico-chimiste Emily Carter, et d’autres montrent que les antennes-réacteurs à particules de cuivre et de fer sont très efficaces pour convertir l’ammoniac. La partie du cuivre qui capte 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 étant donné que le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction”, a déclaré Robatjazi, ancien étudiant Ph.D. du groupe de recherche de Halas qui est maintenant scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics, basé à Houston. “Sous illumination, le cuivre-fer a montré des efficacités et une réactivité similaires et comparables à celles du cuivre-ruthénium.
Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et l’étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs LED disponibles dans le commerce de la société. Lors d’essais en laboratoire à Ross, les catalyseurs cuivre-fer ont été éclairés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs maintenaient leur efficacité sous éclairage LED et à une échelle 500 fois supérieure à la configuration du laboratoire.
“Il s’agit du premier rapport dans la littérature scientifique montrant que la photocatalyse avec des LED peut produire des quantités d’hydrogène à l’échelle du gramme à partir d’ammoniac”, a déclaré Halas. “Cela ouvre la porte au remplacement complet des métaux précieux dans la photocatalyse plasmonique.”
“Compte tenu de leur potentiel à réduire considérablement les émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs à antenne-réacteur plasmonique méritent une étude plus approfondie”, a ajouté Carter. “Ces résultats sont une grande source de motivation. Ils suggèrent qu’il est probable que d’autres combinaisons de métaux abondants puissent être utilisées comme catalyseurs rentables pour une large gamme de réactions chimiques.
Halas est titulaire de la chaire Stanley C. Moore de génie électrique et informatique à 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 professeur Wiess Rice et professeur de physique et d’astronomie, et professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Carter est professeur d’énergie et d’environnement Gerhard R. Andlinger Princeton au Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement, conseiller principal en politiques pour la science de la durabilité au laboratoire de physique des plasmas de ‘Princeton, et professeur de génie mécanique et aérospatial et de mathématiques appliquées et L’informatique. Robatjazi est également professeur adjoint de chimie à Ross.
Halas et Nordlander sont les co-fondateurs de Syzygy et détiennent une participation dans l’entreprise.
La recherche a été soutenue par la Welch Foundation (C-1220, C-1222), l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-15-1-0022), Syzygy Plasmonics, le Département de la Défense et l’Université de Princeton.
Les co-auteurs supplémentaires incluent Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bales, Lin Yuan, Minghe Lou et Minhan Lou de Ross, Linan Zhou de Ross and South China University of Technology, Suman Khatiwada de Syzygy Plasmonics et Junwei Lucas Bao de Princeton et Boston College . .
