Lav-temp fotokatalysator kunne skære ned på CO2-fodaftrykket for syngas

Rice Universitys ingeniører har skabt en letdrevet nanopartikel, der kan formindske kulstofaftrykket for et større segment af den kemiske industri.

Partiklen, små kugler af kobber oversået med enkelte atomer af ruthenium, er nøglekomponenten i en grøn proces til fremstilling af syngas, eller syntesegas, værdifuldt kemisk råmateriale, der bruges til at fremstille brændstoffer, gødning og mange andre produkter. Forskere fra Rice, UCLA og University of California, Santa Barbara (UCSB), beskriv lavenergi, lavtemperatur syngasproduktionsproces i denne uge i Nature Energy.

"Syngas kan laves på mange måder, men en af ​​dem, methan tør reformering, er stadig vigtigere, fordi de kemiske input er metan og kuldioxid, to potente og problematiske drivhusgasser, " sagde Rice kemiker og ingeniør Naomi Halas, en medkorresponderende forfatter på papiret.

Syngas er en blanding af kulilte og brintgas, der kan fremstilles af kul, biomasse, naturgas og andre kilder. Det produceres på hundredvis af forgasningsanlæg verden over og bruges til at fremstille brændstoffer og kemikalier til en værdi af mere end 46 milliarder dollars om året, ifølge en analyse fra 2017 fra BCC Research.

Katalysatorer, materialer, der ansporer reaktioner mellem andre kemikalier, er kritiske for forgasning. Forgasningsanlæg bruger typisk damp og katalysatorer til at skille kulbrinter fra hinanden. Brintatomerne parrer sig og danner brintgas, og carbonatomerne kombineres med oxygen i form af carbonmonoxid. Ved tør reformering, oxygenatomerne kommer fra kuldioxid frem for damp. Men tørreformering har ikke været attraktiv for industrien, fordi det typisk kræver endnu højere temperaturer og mere energi end dampbaserede metoder, sagde undersøgelsens første forfatter Linan Zhou, en postdoc-forsker ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP).

Halas, hvem leder LANP, har i årevis arbejdet på at skabe lysaktiverede nanopartikler, der indsætter energi i kemiske reaktioner med kirurgisk præcision. I 2011 hendes hold viste, at det kunne øge mængden af ​​kortlivede, højenergielektroner kaldet "varme bærere", der dannes, når lys rammer metal, og i 2016 afslørede de den første af flere "antennereaktorer", der bruger varme bærere til at drive katalyse.

En af disse, en kobber- og ruthenium-antennereaktor til fremstilling af brint ud fra ammoniak, var emnet for en 2018 Science paper af Halas, Zhou og kolleger. Zhou sagde, at syngaskatalysatoren bruger et lignende design. I hver, en kobberkugle på omkring 5-10 nanometer i diameter er oversået med rutheniumøer. For ammoniakkatalysatorer, hver ø indeholdt et par dusin atomer af ruthenium, men Zhou var nødt til at krympe disse til et enkelt atom til den tørre reformeringskatalysator.

"Høj effektivitet er vigtig for denne reaktion, men stabilitet er endnu vigtigere, " sagde Zhou. "Hvis du fortæller en person i industrien, at du har en virkelig effektiv katalysator, vil de spørge, 'Hvor længe kan det vare?'"

Zhou sagde, at spørgsmålet er vigtigt for producenter, fordi de fleste forgasningskatalysatorer er tilbøjelige til at "forkoksning, "en ophobning af overfladekulstof, der til sidst gør dem ubrugelige.

"De kan ikke ændre katalysatoren hver dag, " sagde Zhou. "De vil have noget, der kan holde."

Ved at isolere de aktive rutheniumsteder, hvor kulstof er dissocieret fra brint, Zhou reducerede chancerne for, at carbonatomer reagerede med hinanden for at danne koks og øgede sandsynligheden for, at de reagerede med ilt for at danne carbonmonoxid.

"Men enkeltatom-øer er ikke nok, " sagde han. "For stabilitet, du har brug for både enkelte atomer og varme elektroner."

Zhou sagde, at holdets eksperimentelle og teoretiske undersøgelser peger på, at varme bærere driver brint væk fra reaktorens overflade.

"Når brint forlader overfladen hurtigt, det er mere tilbøjeligt til at danne molekylært brint, " sagde han. "Det mindsker også muligheden for en reaktion mellem brint og ilt, og lader ilten reagere med kulstof. Sådan kan man styre med den varme elektron for at sikre, at den ikke danner koks."

Halas sagde, at forskningen kunne bane vejen "for bæredygtige, lysdrevet, lav temperatur, methan-reformerende reaktioner til produktion af brint efter behov."

"Ud over syngas, enkeltatomet, antenne-reaktor design kan være nyttigt til at designe energieffektive katalysatorer til andre applikationer, " hun sagde.

Teknologien er licenseret af Syzygy Plasmonics, en Houston-baseret startup, hvis medstiftere omfatter Halas og studiemedforfatter Peter Nordlander.