Investigadores de la Universidad de Rice han diseñado un nanomaterial clave activado por la luz para la economía del hidrógeno.
Usando solo materias primas económicas, un equipo del Laboratorio de Nanofotónica de Rice, Syzygy Plasmonics Inc. y el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton crearon un catalizador escalable que solo necesita el poder de la luz para convertir el amoníaco en combustible de hidrógeno de combustión limpia.
La investigación sigue la inversión del gobierno y la industria para crear infraestructura y mercados para el combustible de amoníaco líquido libre de carbono que no contribuirá al efecto invernadero.
El amoníaco líquido es fácil de transportar y contiene mucha energía, con un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno por molécula.
El nuevo catalizador descompone esas moléculas en gas hidrógeno, un combustible de combustión limpia, y gas nitrógeno, el componente más grande de la atmósfera terrestre.
Y a diferencia de los catalizadores tradicionales, no requiere calor.
En su lugar, recolecta energía de la luz, ya sea luz solar o LED que consumen poca energía.
El ritmo de las reacciones químicas suele aumentar con la temperatura, y los productores de productos químicos han aprovechado esto durante más de un siglo mediante la aplicación de calor a escala industrial.
La quema de combustibles fósiles para elevar la temperatura de grandes recipientes de reacción en cientos o miles de grados da como resultado una enorme huella de carbono.
Los productores de productos químicos también gastan miles de millones de dólares cada año en termocatalizadores, materiales que no reaccionan pero aceleran aún más las reacciones bajo un calentamiento intenso.
“Los metales de transición como el hierro suelen ser termocatalizadores pobres“, dijo la coautora del estudio Naomi Halas de Rice.
“Este trabajo demuestra que pueden ser fotocatalizadores plasmónicos eficientes.
También demuestra que la fotocatálisis se puede realizar de manera eficiente con fuentes de fotones LED de bajo costo”.
“Este descubrimiento allana el camino para el hidrógeno sostenible y de bajo costo que podría producirse localmente en lugar de en plantas centralizadas masivas”, dijo Peter Nordlander, también coautor de Rice.
Los mejores termocatalizadores están hechos de platino y metales preciosos relacionados como paladio, rodio y rutenio.
Halas y Nordlander pasaron años desarrollando nanopartículas metálicas activadas por luz o plasmónicas.
Los mejores también suelen estar hechos con metales preciosos como la plata y el oro.
Luego de su descubrimiento de 2011 de partículas plasmónicas que emiten electrones de alta energía y de corta duración llamados “portadores calientes“, descubrieron en 2016 que los generadores de portadores calientes podrían combinarse con partículas catalíticas para producir “reactores de antena” híbridos, donde una parte recolectó energía de la luz y la otra parte usó la energía para impulsar reacciones químicas con precisión quirúrgica.
Halas, Nordlander, sus estudiantes y colaboradores han trabajado durante años para encontrar alternativas de metales no preciosos para las mitades de los reactores de antena que recolectan energía y aceleran la reacción.
El nuevo estudio es la culminación de ese trabajo.
En él, Halas, Nordlander, el ex alumno de Rice Hossein Robatjazi, la ingeniera y química física de Princeton Emily Carter y otros muestran que las partículas del reactor de antena hechas de cobre y hierro son altamente eficientes para convertir el amoníaco.
La pieza de cobre, colectora de energía de las partículas, captura la energía de la luz visible.
“En ausencia de luz, el catalizador de cobre-hierro exhibió una reactividad 300 veces menor que los catalizadores de cobre-rutenio, lo cual no es sorprendente dado que el rutenio es un mejor termocatalizador para esta reacción”, dijo Robatjazi, Ph.D. ex alumno del grupo de investigación de Halas que ahora es científico jefe de Syzygy Plasmonics, con sede en Houston.
“Bajo iluminación, el cobre-hierro mostró eficiencias y reactividades similares y comparables a las del cobre-rutenio.
Syzygy obtuvo la licencia de la tecnología de reactor de antena de Rice, y el estudio incluyó pruebas ampliadas del catalizador en los reactores alimentados por LED disponibles comercialmente de la compañía.
En pruebas de laboratorio en Rice, los catalizadores de cobre y hierro se habían iluminado con láser.
Las pruebas de Syzygy mostraron que los catalizadores mantuvieron su eficiencia bajo iluminación LED y en una escala 500 veces mayor que la configuración del laboratorio.
“Este es el primer informe en la literatura científica que muestra que la fotocatálisis con LED puede producir cantidades de gas hidrógeno a partir de amoníaco en escala de gramos”, dijo Halas.
“Esto abre la puerta para reemplazar por completo los metales preciosos en la fotocatálisis plasmónica“.
“Dado su potencial para reducir significativamente las emisiones de carbono del sector químico, los fotocatalizadores de reactores de antena plasmónica merecen un estudio más profundo”, agregó Carter.
“Estos resultados son una gran motivación. Sugieren que es probable que se puedan usar otras combinaciones de metales abundantes como catalizadores rentables para una amplia gama de reacciones químicas”.
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