Een door licht aangedreven katalysator zou de sleutel kunnen zijn voor de waterstofeconomie

Onderzoekers van Rice University hebben een belangrijk door licht geactiveerd nanomateriaal ontwikkeld voor de waterstofeconomie. Met alleen goedkope grondstoffen creëerde een team van Rice’s Laboratory for Nanophotonics, Syzygy Plasmonics Inc. en het Andlinger Centre for Energy and the Environment van Princeton University een schaalbare katalysator die alleen de kracht van licht nodig heeft om ammoniak om te zetten in schoon brandende waterstofbrandstof.

Het onderzoek is vandaag online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

Het onderzoek volgt de investeringen van de overheid en de industrie om infrastructuur en markten te creëren voor koolstofvrije vloeibare ammoniakbrandstof die niet zal bijdragen aan de opwarming van de aarde. Vloeibare ammoniak is gemakkelijk te transporteren en bevat veel energie, met één stikstof- en drie waterstofatomen per molecuul. De nieuwe katalysator breekt die moleculen af ​​in waterstofgas, een schoon brandende brandstof, en stikstofgas, het grootste bestanddeel van de atmosfeer van de aarde. En in tegenstelling tot traditionele katalysatoren heeft het geen warmte nodig. In plaats daarvan oogst het energie uit licht, ofwel zonlicht of energievretende LED’s.

Het tempo van chemische reacties neemt doorgaans toe met de temperatuur, en chemische producenten hebben hier al meer dan een eeuw op geprofiteerd door warmte toe te passen op industriële schaal. Het verbranden van fossiele brandstoffen om de temperatuur van grote reactievaten met honderden of duizenden graden te verhogen, resulteert in een enorme ecologische voetafdruk. Chemische producenten geven ook elk jaar miljarden dollars uit aan thermokatalysatoren – materialen die niet reageren, maar reacties versnellen onder intense verhitting.

“Overgangsmetalen zoals ijzer zijn typisch slechte thermokatalysatoren”, zei co-auteur Naomi Halas van Rice. “Dit werk laat zien dat ze efficiënte plasmonische fotokatalysatoren kunnen zijn. Het toont ook aan dat fotokatalyse efficiënt kan worden uitgevoerd met goedkope LED-fotonenbronnen.”

“Deze ontdekking maakt de weg vrij voor duurzame, goedkope waterstof die lokaal kan worden geproduceerd in plaats van in enorme gecentraliseerde fabrieken”, zegt Peter Nordlander, ook co-auteur van Rice.

De beste thermokatalysatoren zijn gemaakt van platina en aanverwante edelmetalen zoals palladium, rhodium en ruthenium. Halas en Nordlander hebben jarenlang door licht geactiveerde (plasmonische) metalen nanodeeltjes ontwikkeld. De beste hiervan zijn meestal ook gemaakt met edele metalen zoals zilver en goud.

Na hun ontdekking in 2011 van plasmonische deeltjes die kortlevende, hoogenergetische elektronen afgeven die “hete dragers” worden genoemd, ontdekten ze in 2016 dat generatoren van hete dragers kunnen worden gecombineerd met katalytische deeltjes om hybride “antennereactoren” te produceren, waarbij men een deel oogstte energie uit licht en het andere deel gebruikte de energie om chemische reacties met chirurgische precisie aan te drijven.

Halas, Nordlander, hun studenten en medewerkers hebben jarenlang gewerkt aan het vinden van niet-edele metalen alternatieven voor zowel de energie-oogstende als de reactieversnelde helften van antennereactoren. De nieuwe studie is een hoogtepunt van dat werk. Daarin laten Halas, Nordlander, Rice-alumnus Hossein Robatjazi, Princeton-ingenieur en fysisch chemicus Emily Carter en anderen zien dat antennereactordeeltjes gemaakt van koper en ijzer zeer efficiënt zijn in het omzetten van ammoniak. Het koperen, energie-oogstende deel van de deeltjes vangt energie op uit zichtbaar licht.

“Bij afwezigheid van licht vertoonde de koper-ijzerkatalysator ongeveer 300 keer lagere reactiviteit dan koper-rutheniumkatalysatoren, wat niet verwonderlijk is gezien het feit dat ruthenium een ​​betere thermokatalysator is voor deze reactie”, zegt Robatjazi, een Ph.D. alumnus van de onderzoeksgroep van Halas die nu hoofdwetenschapper is bij Syzygy Plasmonics in Houston. “Onder verlichting vertoonde het koper-ijzer efficiëntie en reactiviteiten die vergelijkbaar waren met en vergelijkbaar waren met die van koper-ruthenium.

Syzygy heeft Rice’s antenne-reactortechnologie in licentie gegeven en de studie omvatte opgeschaalde tests van de katalysator in de commercieel verkrijgbare LED-aangedreven reactoren van het bedrijf. Bij laboratoriumtests in Rice waren de koper-ijzerkatalysatoren belicht met lasers. De Syzygy-tests toonden aan dat de katalysatoren hun efficiëntie behielden onder LED-verlichting en op een schaal die 500 keer groter was dan de laboratoriumopstelling.

“Dit is het eerste rapport in de wetenschappelijke literatuur dat aantoont dat fotokatalyse met LED’s op gramschaal hoeveelheden waterstofgas uit ammoniak kan produceren,” zei Halas. “Dit opent de deur om edelmetalen volledig te vervangen in plasmonische fotokatalyse.”

“Gezien hun potentieel om de koolstofemissies van de chemische sector aanzienlijk te verminderen, zijn plasmonische antenne-reactorfotokatalysatoren het waard om verder te worden bestudeerd”, voegde Carter eraan toe. “Deze resultaten zijn een geweldige motivator, ze suggereren dat het waarschijnlijk is dat andere combinaties van overvloedige metalen kunnen worden gebruikt als kosteneffectieve katalysatoren voor een breed scala aan chemische reacties.”