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. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du Rice Nanophotonics Lab, Syzygy Plasmonics Inc. et le centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement de l’Université de Princeton a créé un catalyseur évolutif qui n’a besoin que de 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 fait suite à des 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 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 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 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.

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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 de Rice. “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 à faible coût.”

“Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et à faible coût qui peut être produit localement plutôt que dans des installations centralisées massives”, a déclaré Peter Nordlander, également co-auteur avec Rice.

Les meilleurs thermocatalyseurs sont constitués de platine et de métaux nobles 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 de courte durée appelés “porteurs chauds”, ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds pouvaient être mariés à des particules catalytiques pour produire des “réacteurs d’antenne hybrides, où une partie récoltait l’énergie de la lumière et l’autre partie utilisait 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 la récupération d’énergie et les moitiés d’accélération de 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 et physico-chimiste de Princeton 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 de la lumière 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 puisque le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction”, a déclaré Robatjazi, un ancien doctorant. 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 des réactivités similaires et comparables au cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie de réacteur d’antenne de Rice, et l’étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs LED disponibles dans le commerce de la société. Dans des expériences de laboratoire à Rice, les catalyseurs cuivre-fer avaient été illuminés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs conservaient leur efficacité sous éclairage LED et à une échelle 500 fois plus grande que 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 nobles 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 enquête 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 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 Wiess Rice et professeur de physique et d’astronomie et professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nanotechnologie. Carter est titulaire de la chaire Gerhard 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 et de mathématiques appliquées et d’informatique. . Robatjazi est également professeur adjoint de chimie à Rice.

Halas et Nordlander sont co-fondateurs de Syzygy et détiennent une part 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 and South China University of Technology, Suman Khatiwada de Syzygy Plasmonics et Junwei Lucas Bao de Princeton et Boston Collège.

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