Işıkla çalışan bir katalizör, hidrojen ekonomisi için anahtar olabilir

Pirinç laboratuvarının katalizörü hidrojen ekonomisi için anahtar olabilir

Bir reaksiyon hücresi, amonyaktan hidrojen üretimi için bakır-demir plazmonik fotokatalizörleri test eder. Kredi bilgileri: Brandon Martin/Rice Üniversitesi

Rice Üniversitesi araştırmacıları, hidrojen ekonomisi için ışıkla etkinleştirilen önemli bir nanomateryal tasarladılar. Rice’ın Nanofotonik Laboratuvarı, Syzygy Plasmonics Inc. ve Princeton Üniversitesi’nin Andlinger Enerji ve Çevre Merkezi’nden bir ekip, yalnızca ucuz hammaddeler kullanarak amonyağı temiz yanan hidrojen yakıtına dönüştürmek için yalnızca ışık gücüne ihtiyaç duyan ölçeklenebilir bir katalizör yarattı.

Araştırma bugün online olarak dergide yayınlandı. Bilim.

Araştırma, sera ısınmasına katkıda bulunmayacak karbon içermeyen sıvı amonyak yakıtı için altyapı ve pazarlar oluşturmak için hükümet ve endüstri yatırımlarını takip ediyor. Sıvı amonyağın taşınması kolaydır ve molekül başına bir nitrojen ve üç hidrojen atomu ile çok fazla enerji depolar. Yeni katalizör, bu molekülleri temiz yanan bir yakıt olan hidrojen gazına ve Dünya atmosferinin en büyük bileşeni olan nitrojen gazına ayırır. Ve geleneksel katalizörlerin aksine ısı gerektirmez. Bunun yerine, güneş ışığı veya enerji cimri LED’ler gibi ışıktan enerji toplar.

Kimyasal reaksiyonların hızı tipik olarak sıcaklıkla birlikte artar ve kimya üreticileri yüzyıldan fazla bir süredir endüstriyel ölçekte ısı uygulayarak bundan yararlanırlar. Büyük reaksiyon kaplarının sıcaklığını yüzlerce veya binlerce derece yükseltmek için fosil yakıtların yakılması, çok büyük bir karbon ayak izine neden olur. Kimyasal madde üreticileri ayrıca, reaksiyona girmeyen ancak yoğun ısıtma altında reaksiyonları daha da hızlandıran termokatalizörlere her yıl milyarlarca dolar harcıyor.






Rice’tan ortak yazar Naomi Halas, “Demir gibi geçiş metalleri tipik olarak zayıf termokatalizörlerdir” dedi. “Bu çalışma, verimli plazmonik fotokatalizörler olabileceklerini gösteriyor. Aynı zamanda, ucuz LED foton kaynaklarıyla fotokatalizin verimli bir şekilde gerçekleştirilebileceğini de gösteriyor.”

Aynı zamanda bir Rice ortak yazarı olan Peter Nordlander, “Bu keşif, büyük merkezi tesisler yerine yerel olarak üretilebilecek sürdürülebilir, düşük maliyetli hidrojenin yolunu açıyor” dedi.

En iyi termokatalizörler platinden ve paladyum, rodyum ve rutenyum gibi ilgili değerli metallerden yapılır. Halas ve Nordlander, ışıkla aktive olan (plasmonik) metal nanopartiküller geliştirmek için yıllarını harcadılar. Bunların en iyileri de tipik olarak gümüş ve altın gibi değerli metallerden yapılır.

“Sıcak taşıyıcılar” olarak adlandırılan kısa ömürlü, yüksek enerjili elektronlar yayan plazmonik parçacıkları 2011’de keşfetmelerinin ardından, 2016’da sıcak taşıyıcı jeneratörlerin hibrit “anten reaktörleri” üretmek için katalitik parçacıklarla evlenebileceğini keşfettiler. bir kısmı ışıktan enerji topladı ve diğer kısmı enerjiyi cerrahi hassasiyetle kimyasal reaksiyonları yürütmek için kullandı.

Halas, Nordlander, öğrencileri ve işbirlikçileri, anten reaktörlerinin hem enerji toplayan hem de reaksiyon hızlandıran yarıları için değersiz metal alternatifleri bulmak için yıllarca çalıştılar. Yeni çalışma, bu çalışmanın bir sonucudur. İçinde Halas, Nordlander, Rice mezunu Hossein Robatjazi, Princeton mühendisi ve fiziksel kimyager Emily Carter ve diğerleri, bakır ve demirden yapılan anten-reaktör parçacıklarının amonyağı dönüştürmede oldukça verimli olduğunu gösteriyor. Parçacıkların enerji toplayan bakır parçası, görünür ışıktan enerji alır.

Pirinç laboratuvarının katalizörü hidrojen ekonomisi için anahtar olabilir

Houston’daki Syzygy Plasmonics’te amonyaktan hidrojen üretimi için bakır-demir plazmonik fotokatalizörlerin testlerinde kullanılan bir reaksiyon hücresi (solda) ve fotokatalitik platform (sağda). Kataliz için tüm reaksiyon enerjisi, 470 nanometre dalga boyuna sahip ışık üreten LED’lerden geldi. Kredi bilgileri: Syzygy Plasmonics, Inc.

Robatjazi, “Işığın yokluğunda, bakır-demir katalizörü, bakır-rutenyum katalizörlerinden yaklaşık 300 kat daha düşük reaktivite sergiledi; bu, rutenyumun bu reaksiyon için daha iyi bir termokatalizör olduğu düşünüldüğünde, bu şaşırtıcı değil.” Şu anda Houston merkezli Syzygy Plasmonics’in baş bilim adamı olan Halas’ın araştırma grubundan bir mezun. “Aydınlatma altında, bakır-demir, bakır-rutenyumunkilere benzer ve karşılaştırılabilir verimlilikler ve reaktiviteler gösterdi.

Syzygy, Rice’ın anten-reaktör teknolojisine lisans verdi ve çalışma, şirketin piyasada bulunan LED ile çalışan reaktörlerindeki katalizörün ölçeklendirilmiş testlerini içeriyordu. Rice’daki laboratuvar testlerinde, bakır-demir katalizörleri lazerlerle aydınlatılmıştı. Syzygy testleri, katalizörlerin verimliliklerini LED aydınlatma altında ve laboratuvar kurulumundan 500 kat daha büyük bir ölçekte koruduğunu gösterdi.

Pirinç laboratuvarının katalizörü hidrojen ekonomisi için anahtar olabilir

Amonyaktan hidrojen üretimi için bakır-demir plazmonik fotokatalizörlerin testlerinde kullanılan fotokatalitik platform. Kredi bilgileri: Brandon Martin/Rice Üniversitesi

Halas, “Bu, bilimsel literatürde LED’lerle fotokatalizin amonyaktan gram ölçeğinde miktarlarda hidrojen gazı üretebileceğini gösteren ilk rapordur” dedi. “Bu, plazmonik fotokatalizde değerli metallerin tamamen değiştirilmesi için kapıyı açar.”

Carter, “Kimya sektörü karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltma potansiyelleri göz önüne alındığında, plazmonik anten-reaktör fotokatalizörleri daha fazla çalışmaya değer” dedi. “Bu sonuçlar harika bir motive edici. Bol miktarda metal içeren diğer kombinasyonların, çok çeşitli kimyasal reaksiyonlar için uygun maliyetli katalizörler olarak kullanılabileceğini öne sürüyorlar.”

Daha fazla bilgi:
Yigao Yuan ve diğerleri, ışık yayan diyot aydınlatmalı NH3’ten H2 üretimi için Dünya’da bol miktarda fotokatalist, Bilim (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636

Rice Üniversitesi tarafından sağlanan

Alıntı: Işıkla çalışan bir katalizör, hidrojen ekonomisi için anahtar olabilir (2022, 24 Kasım), 25 Kasım 2022’de https://phys.org/news/2022-11-light-powered-catalyst-key-hydrogen-economy.html adresinden alındı.

Bu belge telif haklarına tabidir. Kişisel çalışma veya araştırma amaçlı adil ticaret dışında, yazılı izin olmaksızın hiçbir bölüm çoğaltılamaz. İçerik sadece bilgilendirme amaçlıdır.

Leave a Comment