Un nouveau catalyseur pourrait être la clé de l’économie de l’hydrogène

Des chercheurs de l’Université Rice ont mis au point un nanomatériau léger, clé de l’économie de l’hydrogène. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du Rice Nanophotonics Laboratory, de Szygi Plasmonics Inc. et du Endlinger Center for Energy and the Environment de l’Université de Princeton a développé un catalyseur évolutif qui ne nécessite qu’une puissance lumineuse pour convertir l’ammoniac en remplacer l’hydrogène à combustion propre.

L’étude est publiée aujourd’hui dans la revue la science.

L’étude suit les investissements du gouvernement et de l’industrie dans le développement d’infrastructures et de 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 a une haute teneur en 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 récupère 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 en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle depuis plus d’un siècle. La combustion de combustibles fossiles en élevant la température des grands réacteurs à des centaines ou des milliers de degrés entraîne une empreinte carbone importante. 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 une chaleur intense.

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“Les métaux de transition tels que le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs”, a déclaré la co-auteure de l’étude Rice, Naomi Halas. “Ce travail montre qu’ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Il 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 de grandes usines centralisées”, 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 photoactives ou plasmoniques. Les meilleurs sont également généralement fabriqués avec des métaux précieux comme l’argent et l’or.

Après avoir découvert en 2011 des 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 mariés à des particules catalytiques pour produire des « réacteurs hybrides à antenne, où une partie récupère l’énergie de la lumière. et l’autre partie utilise l’énergie pour créer des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Halas, Nordlander, leurs étudiants et collègues ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives en métal de base à la moitié du réacteur d’antenne pour récolter de l’énergie et accélérer la réaction. De nouvelles recherches sont le fruit de ce travail. Dans ce document, Halas, Nordlander, l’ancien élève de Rice Hossein Roubatjazi, l’ingénieur de Princeton et physico-chimiste 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 qui capte l’énergie des particules capte l’énergie de la lumière visible.

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“En l’absence de lumière, les catalyseurs cuivre-fer présentaient une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui ne surprend pas que le ruthénium soit le meilleur thermocatalyseur pour cette réaction.” a déclaré Robatjazi, un étudiant au doctorat. du groupe de recherche de Halas, qui est maintenant chercheur principal à Szygi Plasmonics, basé à Houston. “Sous illumination, le cuivre-fer a montré des propriétés et des réactions identiques et comparables à celles du cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et la recherche a impliqué des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs LED disponibles dans le commerce de la société. Lors d’essais en laboratoire à Rice, des catalyseurs cuivre-fer ont été éclairés par des lasers. Les tests de Syzygy ont montré que le catalyseur maintenait son efficacité sous un éclairage LED et à une échelle 500 fois plus grande qu’une configuration de laboratoire.

“Il s’agit du premier rapport dans la littérature scientifique montrant que la photocatalyse avec des LED peut produire de l’hydrogène au niveau du gramme à partir d’ammoniac”, a déclaré Halas. “Cela ouvre la porte à la substitution complète 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 d’encouragement. Ils suggèrent que d’autres combinaisons de métaux lourds sont susceptibles d’être utilisées comme catalyseurs rentables pour un large éventail de réactions chimiques.

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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 Weiss 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 titulaire de la chaire Gerard R. Andlinger Princeton d’énergie et d’environnement 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, de mathématiques et de sciences appliquées. un professeur Rubatjazi est également professeur adjoint de chimie à Rice.

Halas et Nordlander sont co-fondateurs de Syzygy et détiennent des parts dans la société.

La recherche a été soutenue par la Fondation Welch (C-1220, C-1222), le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force (FA9550-15-1-0022), Szygi Plasmonics, le Département de la défense et l’Université de Princeton.

Parmi les autres collaborateurs figurent Yigao Yuan, Zhengyi Zhou, Aaron Bales, Lin Yuan, Meng Lu et Minhan Lu de Rice, Linan Zhu de Rice and South China University of Technology, Suman Khatiwada de Sizigi Plasmonics et Junwei Lucas Bao. .

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