Le catalyseur du laboratoire Rice pourrait être à la base de l’hydrogène

image : Une cellule de réaction teste des photocatalyseurs plasmoniques cuivre-fer pour la production d’hydrogène à partir d’ammoniac.
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Crédit : Brandon Martin/Rice University

HOUSTON – (24 novembre 2022) – Des chercheurs de l’Université Rice ont développé un nanomatériau activé par la lumière, clé de l’économie de l’hydrogène. Utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, le laboratoire de nanophotonique de Rice, Syzygy Plasmonics Inc. et un groupe du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement de l’Université de Princeton ont 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 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 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 divise ces molécules en hydrogène gazeux, un carburant à combustion propre, et en azote gazeux, le plus grand composant de l’atmosphère terrestre. Contrairement aux catalyseurs traditionnels, il ne nécessite pas de chaleur. Au lieu de cela, il récupère l’énergie de la lumière du soleil ou des LED à faible consommation d’énergie.

La vitesse des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques en profitent depuis plus d’un siècle en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température de grandes cuves de réaction de centaines ou de milliers de degrés entraîne une empreinte carbone importante. Les fabricants de produits chimiques dépensent des milliards de dollars chaque année en thermocatalyseurs, des matériaux qui ne réagissent pas mais accélèrent les réactions sous une chaleur intense.

“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 démontre également que la photocatalyse peut être efficacement réalisée avec des sources de photons LED peu coûteuses.

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

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 ont passé des années à développer des nanoparticules métalliques activées par la lumière ou plasmoniques. Les meilleurs d’entre eux sont généralement constitués de métaux précieux tels que l’argent et l’or.

Après avoir découvert en 2011 des particules de plasmon qui émettent des électrons à haute énergie de courte durée appelés « porteurs chauds », ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds peuvent être combinés avec des particules catalytiques pour produire des « réacteurs-antennes » hybrides. une partie récoltait l’énergie de la lumière, l’autre partie utilisait l’énergie pour contrôler les réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Halas, Nordlander, leurs étudiants et leurs collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives aux métaux non précieux pour les parties de récupération d’énergie et d’accélération de réaction des réacteurs d’antenne. La nouvelle étude est l’aboutissement de ce travail. Là, Halas, Nordlander, Hossein Robatjazi, diplômé de Rice, Emily Carter, ingénieure et physico-chimiste de Princeton, et d’autres montrent que les particules d’antenne-réacteur en cuivre et en fer sont très efficaces pour convertir l’ammoniac. La partie en cuivre récupérant l’énergie des particules reçoit l’énergie de la lumière visible.

“En l’absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer a montré une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n’est pas surprenant étant donné que le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction”, a déclaré Robatjazi, Ph.D. Ancien élève du groupe de recherche de Halas, il est maintenant chercheur principal chez Syzygy Plasmonics, basé à Houston. “Sous illumination, le cuivre-fer a montré une efficacité et une réactivité similaires et comparables au cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et la recherche comprenait des tests approfondis du catalyseur dans les réacteurs à LED disponibles dans le commerce de la société. Lors d’essais en laboratoire menés à Rice, des catalyseurs cuivre-fer ont été éclairés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs maintenaient leur 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 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 précieux dans la photocatalyse plasmonique.”

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

Halas est titulaire de la chaire Stanley J. Moore de génie électrique et informatique de Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d’astronomie, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nordlander est titulaire de la chaire Wiess de 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 professeur d’énergie et d’environnement Gerhard R. Andlinger de Princeton au Andlinger Center for Energy and the Environment, conseiller stratégique principal pour la science de la durabilité au Princeton Plasma Physics Laboratory et professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale et de mathématiques appliquées et computationnelles. Robatjazi est également professeur adjoint 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 Bayles, 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, tous deux de Princeton. et le Collège de Boston.

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Article évalué par des pairs :

“Un photocatalyseur abondant au sol pour la génération de H2 à partir de NH3 par éclairage LED” | Sciences | DOI : 10.1126/science.abn5636

Yigao Yuan, Linan Zhou, Hossein Robatjazi, Junwei Lucas Bao, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Lin Yuan, Minghe Lou, Minhan Lou, Suman Khatiwada, Emily A. Carter, Peter Nordlander, Naomi J. Halas

https://doi.org/10.1126/science.abn5636

VIDÉO disponible sur :

Vidéo produite par Brandon Martin/Rice University

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La cellule de réaction teste des photocatalyseurs plasmoniques cuivre-fer pour la production d’hydrogène à partir d’ammoniac. (Crédit : Photo de Brandon Martin/Rice University)

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Une plateforme photocatalytique utilisée dans les tests de photocatalyseurs plasmoniques cuivre-fer pour la production d’hydrogène à partir d’ammoniac. (Crédit : Photo de Brandon Martin/Rice University)

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Une cellule de réaction (à gauche) et une plate-forme photocatalytique (à droite) utilisées dans les tests de photocatalyseurs plasmoniques cuivre-fer pour la production d’hydrogène à partir d’ammoniac chez Syzygy Plasmonics à Houston. Toute l’énergie de réaction pour la catalyse provenait des LED, qui produisaient de la lumière à une longueur d’onde de 470 nanomètres. (Crédit : Syzygy Plasmonics, Inc.)

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Titre : Naomi Halas. (Crédit : Photo : Jeff Fitlow/Rice University)

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Titre : Peter Nordlander. (Crédit : Photo : Jeff Fitlow/Rice University)

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DÉPARTEMENT : Hossein Robatjazi. (Crédit : Photo : Jeff Fitlow/Rice University)

Histoires liées :

La mesure des électrons “chauds” pourrait avoir un gain d’énergie solaire : https://news2.rice.edu/2011/05/05/measurement-of-hot-electrons-could-have-solar-energy-payoff/

Les catalyseurs “antenne-réacteur” de Rice offrent le meilleur des deux mondes : https://news2.rice.edu/2016/07/18/rices-antenna-reactor-catalysts-offer-best-of-both-worlds/

Gaspillage d’énergie : et si nous pouvions rendre les réactions chimiques plus économes en énergie à l’échelle industrielle ? : https://magazine.rice.edu/winter-2018/we-dont-know#wasted-energy

Liens:

Laboratoire de nanophotonique : http://lanp.blogs.rice.edu

Groupe de recherche Halas : https://halas.rice.edu

Groupe de nanophotonique Nordlander : https://nordlander.rice.edu

École des sciences naturelles Wiess : https://naturalsciences.rice.edu

Ce communiqué peut être consulté en ligne à l’adresse https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-catalyst-could-be-key-hydrogen-economy.

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Située sur un campus boisé de 300 acres à Houston, la Rice University est régulièrement classée parmi les 20 meilleures universités du pays par US News & World Report. Rice possède des écoles d’architecture, de commerce, d’études permanentes, d’ingénierie, de sciences humaines, de musique, de sciences naturelles et de sciences sociales très respectées, et abrite le Baker Institute for Public Policy. Avec 4 240 étudiants de premier cycle et 3 972 étudiants des cycles supérieurs, Rice a un ratio étudiants de premier cycle / professeurs de 6 pour 1. Son système de collège résidentiel construit des communautés soudées et des amitiés pour la vie, une des raisons pour lesquelles la Princeton Review a classé Rice n ° 1 pour l’interaction multiraciale / classe et n ° 1 pour la qualité de vie. Rice est également classé comme le meilleur rapport qualité-prix parmi les universités privées par Kiplinger’s Personal Finance.


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