Antennereaktorkatalysatorer tilbyder det bedste fra begge verdener

I et fund, der kunne transformere nogle af verdens mest energikrævende fremstillingsprocesser, forskere ved Rice University's Laboratory for Nanophotonics har afsløret en ny metode til at forene lysfangende fotoniske nanomaterialer og højeffektive metalkatalysatorer.

Hvert år, kemiske producenter bruger milliarder af dollars på metalkatalysatorer, materialer, der ansporer eller fremskynder kemiske reaktioner. Katalysatorer bruges til at producere kemiske produkter for billioner af dollars. Desværre, de fleste katalysatorer virker kun ved høje temperaturer eller højt tryk eller begge dele. For eksempel, U.S. Energy Information Agency anslog, at i 2010, kun et segment af den amerikanske kemiske industri, produktion af plastharpiks, brugte næsten 1 quadrillion britiske termiske energienheder, omtrent den samme mængde energi indeholdt i 8 milliarder gallons benzin.

Nanoteknologiforskere har længe været interesseret i at erobre noget af det verdensomspændende katalysemarked med energieffektive fotoniske materialer, metalliske materialer, der er skræddersyet med atompræcision til at høste energi fra sollys. Desværre, de bedste nanomaterialer til at høste lys - guld, sølv og aluminium - er ikke særlig gode katalysatorer, og de bedste katalysatorer - palladium, platin og rhodium - er dårlige til at opfange solenergi.

Den nye katalysator, som er beskrevet i en undersøgelse i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , er den seneste innovation fra LANP, en tværfaglig, multi-investigator forskergruppe ledet af fotonik-pioneren Naomi Halas. Halas, som også leder Rice's Smalley-Curl Institute, sagde en række undersøgelser i de senere år har vist, at lysaktiverede "plasmoniske" nanopartikler kan bruges til at øge mængden af ​​lys, der absorberes af tilstødende mørke nanopartikler. Plasmoner er bølger af elektroner, der skvulper som en væske hen over overfladen af ​​små metalliske nanopartikler. Afhængigt af hyppigheden af ​​deres skvulp, disse plasmoniske bølger kan interagere med og høste energien fra passerende lys.

I sommeren 2015, Halas og undersøgelsens medforfatter Peter Nordlander designede et eksperiment for at teste, om en plasmonisk antenne kunne fastgøres til en katalytisk reaktorpartikel. Kandidatstuderende Dayne Swearer arbejdede med dem, Rismaterialeforsker Emilie Ringe og andre ved Rice og Princeton University til at producere, teste og analysere ydeevnen af ​​"antenne-reaktor" designet.

Swearer begyndte med at syntetisere 100 nanometer-diameter aluminiumskrystaller, der en gang udsat for luft, udvikle en tynd 2- til 4 nanometer tyk belægning af aluminiumoxid. De oxiderede partikler blev derefter behandlet med et palladiumsalt for at starte en reaktion, der resulterede i, at der dannedes små øer af palladiummetal på overfladen af ​​de oxiderede partikler. Den uoxiderede aluminiumskerne tjener som plasmonisk antenne og palladiumøerne som katalytiske reaktorer.

Swearer sagde, at den kemiske industri allerede bruger aluminiumoxidmaterialer, der er oversået med palladiumøer for at katalysere reaktioner, men palladiumet i disse materialer skal opvarmes til høje temperaturer for at blive en effektiv katalysator.

"Du skal tilføje energi for at forbedre den katalytiske effektivitet, " sagde han. "Vores katalysatorer har også brug for energi, men de trækker det direkte fra lyset og kræver ingen yderligere opvarmning."

Et eksempel på en proces, hvor de nye antenne-reaktor-katalysatorer kunne bruges, er til at reagere acetylen med brint til fremstilling af ethylen, sagde Swearer.

Ethylen er det kemiske råmateriale til fremstilling af polyethylen, verdens mest almindelige plastik, som bruges i tusindvis af hverdagsprodukter. Acetylen, et kulbrinte, der ofte findes i de gasråvarer, der bruges på polyethylenfabrikker, skader de katalysatorer, som producenterne bruger til at omdanne ethylen til polyethylen. Af denne grund, acetylen betragtes som en "katalysatorgift" og skal fjernes fra ethylenråmaterialet - ofte med en anden katalysator - før det kan forårsage skade.

En måde, producenter fjerner acetylen på, er at tilføje brintgas i nærværelse af en palladiumkatalysator for at omdanne den giftige acetylen til ethylen - den primære komponent, der er nødvendig for at fremstille polyethylenharpiks. Men denne katalytiske proces producerer også en anden gas, ethan, ud over ethylen. Kemiske producenter forsøger at skræddersy processen til at producere så meget ethylen og så lidt ethan som muligt, men selektivitet er fortsat en udfordring, sagde Swearer.

Som et proof-of-concept for de nye antenne-reaktor-katalysatorer, sværger, Halas og kolleger udførte acetylenkonverteringstest på LANP og fandt ud af, at de lysdrevne antennereaktorkatalysatorer producerede et forhold på 40 til 1 mellem ethylen og ethan, en væsentlig forbedring i selektivitet i forhold til termisk katalyse.

Swearer sagde, at de potentielle energibesparelser og forbedret effektivitet af de nye katalysatorer sandsynligvis vil fange kemiske producenters opmærksomhed, selvom deres anlæg i øjeblikket ikke er designet til at bruge solcelledrevne katalysatorer.

"Polyethylenindustrien producerer mere end $90 milliarder produkter hvert år, og vores katalysatorer forvandler en af ​​industriens giftstoffer til en værdifuld vare, " han sagde.

Halas sagde, at hun er mest begejstret for det brede potentiale i den katalytiske antenne-reaktorteknologi.

"Antenne-reaktordesignet er modulært, hvilket betyder, at vi kan blande og matche materialerne til både antennen og reaktoren for at skabe en skræddersyet katalysator til en specifik reaktion, " sagde hun. "På grund af denne fleksibilitet, der er mange, mange applikationer, hvor vi mener, at denne teknologi kan overgå eksisterende katalysatorer."