Ingenieurs van Rice University hebben een door licht aangedreven nanodeeltje gemaakt dat de ecologische voetafdruk van een belangrijk segment van de chemische industrie zou kunnen verkleinen.

het deeltje, kleine bolletjes koper bezaaid met enkele atomen van ruthenium, is de belangrijkste component in een groen proces voor het maken van syngas, of synthesegas, waardevolle chemische grondstof die wordt gebruikt om brandstoffen te maken, kunstmest en vele andere producten. Onderzoekers van Rijst, UCLA en de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB), beschrijf de lage energie, productieproces van syngas op lage temperatuur deze week in Nature Energy.

"Syngas kan op veel manieren worden gemaakt, maar een van die methaan droog hervormen, wordt steeds belangrijker omdat de chemische inputs methaan en koolstofdioxide zijn, twee krachtige en problematische broeikasgassen, " zei Rice chemicus en ingenieur Naomi Halas, een co-corresponderende auteur op het papier.

Syngas is een mengsel van koolmonoxide en waterstofgas dat kan worden gemaakt uit steenkool, biomassa, aardgas en andere bronnen. Het wordt geproduceerd in honderden vergassingsfabrieken over de hele wereld en wordt gebruikt om brandstoffen en chemicaliën te maken met een waarde van meer dan $ 46 miljard per jaar, volgens een analyse uit 2017 door BCC Research.

Katalysatoren, materialen die reacties tussen andere chemicaliën aanwakkeren, zijn essentieel voor vergassing. Vergassingsinstallaties gebruiken typisch stoom en katalysatoren om koolwaterstoffen af ​​te breken. De waterstofatomen vormen samen waterstofgas, en de koolstofatomen combineren met zuurstof in de vorm van koolmonoxide. Bij droge reforming, de zuurstofatomen komen uit koolstofdioxide in plaats van stoom. Maar droog reformeren was niet aantrekkelijk voor de industrie, omdat het doorgaans nog hogere temperaturen en meer energie vereist dan op stoom gebaseerde methoden. zei studie eerste auteur Linan Zhou, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP).

Hala, die het LANP leidt, heeft jarenlang gewerkt aan het maken van door licht geactiveerde nanodeeltjes die met chirurgische precisie energie in chemische reacties inbrengen. In 2011, haar team liet zien dat het de hoeveelheid kortstondige, hoogenergetische elektronen genaamd "hete dragers" die worden gecreëerd wanneer licht metaal raakt, en in 2016 onthulden ze de eerste van verschillende "antennereactoren" die hete dragers gebruiken om katalyse aan te drijven.

Een van deze, een koper- en ruthenium-antennereactor voor het maken van waterstof uit ammoniak, was het onderwerp van een Science-paper uit 2018 door Halas, Zhou en collega's. Zhou zei dat de syngaskatalysator een soortgelijk ontwerp gebruikt. In elke, een koperen bol met een diameter van ongeveer 5-10 nanometer is bezaaid met rutheniumeilanden. Voor de ammoniakkatalysatoren, elk eiland bevatte enkele tientallen atomen ruthenium, maar Zhou moest deze krimpen tot een enkel atoom voor de droge reformeringskatalysator.

"Een hoog rendement is belangrijk voor deze reactie, maar stabiliteit is nog belangrijker, "Zei Zhou. "Als je een persoon in de industrie vertelt dat je een echt efficiënte katalysator hebt, zullen ze vragen, 'Hoe lang kan het duren?'"

Zhou zei dat de vraag belangrijk is voor producenten, omdat de meeste vergassingskatalysatoren gevoelig zijn voor "cokesvorming, " een opeenhoping van oppervlaktekoolstof die ze uiteindelijk onbruikbaar maakt.

"Ze kunnen de katalysator niet elke dag veranderen, "Zei Zhou. "Ze willen iets dat lang meegaat."

Door de actieve rutheniumplaatsen te isoleren waar koolstof wordt gedissocieerd van waterstof, Zhou verminderde de kans dat koolstofatomen met elkaar reageren om cokes te vormen en verhoogde de kans dat ze reageren met zuurstof om koolmonoxide te vormen.

"Maar eilanden met één atoom zijn niet genoeg, " zei hij. "Voor stabiliteit, je hebt zowel enkele atomen als hete elektronen nodig."

Zhou zei dat het experimentele en theoretische onderzoek van het team erop wijst dat hete dragers waterstof wegdrijven van het reactoroppervlak.

"Als waterstof het oppervlak snel verlaat, er is meer kans om moleculaire waterstof te vormen, " zei hij. "Het vermindert ook de mogelijkheid van een reactie tussen waterstof en zuurstof, en laat de zuurstof reageren met koolstof. Zo kun je met het hete elektron controleren of het geen cokes vormt."

Halas zei dat het onderzoek de weg zou kunnen effenen "voor duurzame, lichtgedreven, lage temperatuur, methaan-reforming reacties voor de productie van waterstof op aanvraag."

"Voorbij syngas, het enkele atoom, antenne-reactorontwerp kan nuttig zijn bij het ontwerpen van energiezuinige katalysatoren voor andere toepassingen, " ze zei.

De technologie is in licentie gegeven door Syzygy Plasmonics, een in Houston gevestigde startup waarvan de mede-oprichters Halas zijn en co-auteur Peter Nordlander.