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 activé par la lumière pour l’économie de l’hydrogène. Laboratoire de nanophotonique du riz, Syzygy Plasmonics Inc. et une équipe du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement de l’Université de Princeton ont créé un catalyseur évolutif qui n’a besoin que d’une faible puissance pour convertir l’ammoniac en hydrogène propre et combustible en utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses.

L’étude a été publiée en ligne aujourd’hui dans la revue La science.

L’étude suit les investissements du gouvernement et de l’industrie pour créer des infrastructures et des marchés pour l’ammoniac liquide sans carbone qui ne contribue 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 tire son énergie de la lumière, de la lumière du soleil ou de LED gourmandes en énergie.

La vitesse des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques exploitent cela depuis plus d’un siècle en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température des grands réacteurs à des centaines ou des milliers de degrés entraîne une empreinte carbone importante. Les fabricants de produits chimiques dépensent des milliards de dollars chaque année en thermocatalyseurs – ils ne réagissent pas, mais accélèrent les réactions lorsqu’ils sont fortement chauffés.

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“Les métaux de transition comme le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs”, a déclaré la co-auteure de l’étude, Naomi Halas Rice. « Ce travail montre qu’ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Il montre également que la photocatalyse peut être efficacement réalisée avec des sources de photons LED à faible coût.

“Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et abordable qui peut être produit localement plutôt que dans de grandes usines centralisées”, a déclaré Peter Nordlander, co-auteur avec Rice.

Les meilleurs thermocatalyseurs sont fabriqués à partir de platine et de métaux précieux apparentés tels que le palladium, le rhodium et le ruthénium. Halas et Nordlander développent depuis de nombreuses années des nanoparticules métalliques activées par la lumière, ou plasmoniques. Les meilleurs sont généralement faits de métaux précieux comme l’argent et l’or.

Après avoir découvert en 2011 des particules plasmoniques qui émettent des électrons à haute énergie et à courte durée de vie, appelées “porteurs chauds”, ils ont combiné en 2016 des générateurs de porteurs chauds avec des particules catalytiques pour produire des “réacteurs hybrides à antenne, où une partie du récupérateur d’énergie iladi” utilisait la lumière et d’autres énergies pour déclencher des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Halas, Nordlander, leurs étudiants et collègues ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives aux métaux de base pour récolter de l’énergie et accélérer la réaction des réacteurs d’antenne. 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 particules de réacteur d’antenne en cuivre et en fer sont très efficaces pour convertir l’ammoniac. La partie en cuivre qui collecte l’énergie des particules collecte l’énergie lumineuse visible.

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“En l’absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer présentait une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n’est pas surprenant car le ruthénium était un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction”, a déclaré Robatjazi, titulaire d’un doctorat. L’équipe de recherche de Halas, qui est maintenant scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics, basée à Houston. “Lorsqu’il est éclairé, le cuivre-fer a montré une efficacité et une réactivité similaires et comparables à celles du cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et la recherche a impliqué des tests approfondis 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 les catalyseurs maintenaient leur efficacité sous un éclairage LED et à des échelles 500 fois plus grandes que les paramètres de laboratoire.

“Il s’agit du premier rapport dans la littérature scientifique montrant que la photocatalyse utilisant des LED peut produire de l’hydrogène à l’échelle du gramme à partir d’ammoniac”, a déclaré Halas. “Cela ouvre la porte au remplacement complet des métaux nobles dans la photocatalyse plasmonique.”

“Compte tenu du potentiel de réduction significative des émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs plasmoniques à antenne-réacteur méritent des recherches plus approfondies”, a ajouté Carter. “Ces résultats sont une grande source de motivation. Ils notent que des combinaisons de nombreux autres métaux peuvent être utilisées comme catalyseurs rentables pour une large gamme de réactions chimiques.

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Halas est titulaire de la chaire Stanley C. Moore de génie électrique et informatique et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d’astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie à Rice. Nordlander est professeur Wyss Rice et professeur de physique et d’astronomie, professeur de génie électrique et informatique et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie. Carter Gerhard R. Andlinger Professeur d’énergie et d’environnement au Andlinger Center for Energy and the Environment, conseiller principal en politiques pour les sciences de la durabilité au Princeton Plasma Physics Laboratory et professeur de génie mécanique et aérospatial, de mathématiques appliquées et d’informatique . Robatjazi est également professeur agrégé de chimie à Rice.

Halas et Nordlander sont co-fondateurs de Syzygy et détiennent une participation dans l’entreprise.

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), 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 Rice, Linan Zhou de Rice et Suman Hatiwada de l’Université de technologie de Chine du Sud, Syzygy Plasmonics et Junwei Lucas Bao de Princeton et Boston. Collège.

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