In een vondst die enkele van 's werelds meest energie-intensieve productieprocessen zou kunnen transformeren, onderzoekers van het Laboratory for Nanophotonics van Rice University hebben een nieuwe methode onthuld voor het verenigen van lichtvangende fotonische nanomaterialen en zeer efficiënte metaalkatalysatoren.

Elk jaar, chemische producenten besteden miljarden dollars aan metaalkatalysatoren, materialen die chemische reacties stimuleren of versnellen. Katalysatoren worden gebruikt om voor miljarden dollars aan chemische producten te produceren. Helaas, de meeste katalysatoren werken alleen bij hoge temperaturen of hoge druk of beide. Bijvoorbeeld, het Amerikaanse Energy Information Agency schatte dat in 2010 slechts één segment van de Amerikaanse chemische industrie, productie van kunststofhars, bijna 1 biljard Britse thermische energie-eenheden gebruikt, ongeveer dezelfde hoeveelheid energie in 8 miljard gallons benzine.

Nanotechnologie-onderzoekers zijn al lang geïnteresseerd in het veroveren van een deel van de wereldwijde katalysemarkt met energie-efficiënte fotonische materialen, metalen materialen die met atomaire precisie op maat zijn gemaakt om energie uit zonlicht te halen. Helaas, de beste nanomaterialen voor het oogsten van lichtgoud, zilver en aluminium zijn geen goede katalysatoren, en de beste katalysatoren - palladium, platina en rhodium - zijn slecht in het opvangen van zonne-energie.

De nieuwe katalysator die wordt beschreven in een studie deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences , is de nieuwste innovatie van LANP, een multidisciplinair, onderzoeksgroep met meerdere onderzoekers onder leiding van fotonica-pionier Naomi Halas. Hala, die ook het Smalley-Curl Institute van Rice leidt, zei dat een aantal onderzoeken in de afgelopen jaren hebben aangetoond dat door licht geactiveerde "plasmonische" nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd door aangrenzende donkere nanodeeltjes te vergroten. Plasmonen zijn golven van elektronen die als een vloeistof over het oppervlak van kleine metalen nanodeeltjes klotsen. Afhankelijk van de frequentie van hun klotsen, deze plasmonische golven kunnen interageren met en de energie van passerend licht oogsten.

In de zomer van 2015 Halas en co-auteur Peter Nordlander ontwierpen een experiment om te testen of een plasmonische antenne kan worden bevestigd aan een katalytisch reactordeeltje. Afstudeerstudent Dayne Swearer werkte met hen samen, Rijstmateriaalwetenschapper Emilie Ringe en anderen van Rice en Princeton University om te produceren, test en analyseer de prestaties van het ontwerp van de "antenne-reactor".

Swearer begon met het synthetiseren van aluminiumkristallen met een diameter van 100 nanometer die, eenmaal blootgesteld aan lucht, een dunne laag van 2 tot 4 nanometer dik aluminiumoxide ontwikkelen. De geoxideerde deeltjes werden vervolgens behandeld met een palladiumzout om een ​​reactie te starten die resulteerde in de vorming van kleine eilanden van palladiummetaal op het oppervlak van de geoxideerde deeltjes. De kern van niet-geoxideerd aluminium dient als de plasmonische antenne en de palladiumeilanden als de katalytische reactoren.

Swearer zei dat de chemische industrie al aluminiumoxidematerialen gebruikt die zijn bezaaid met palladiumeilanden om reacties te katalyseren. maar het palladium in die materialen moet tot hoge temperaturen worden verwarmd om een ​​efficiënte katalysator te worden.

"Je moet energie toevoegen om de katalytische efficiëntie te verbeteren, " zei hij. "Onze katalysatoren hebben ook energie nodig, maar ze halen het rechtstreeks uit het licht en hebben geen extra verwarming nodig."

Een voorbeeld van een proces waarbij de nieuwe antenne-reactorkatalysatoren kunnen worden gebruikt, is het laten reageren van acetyleen met waterstof om ethyleen te produceren, zei Zweer.

Ethyleen is de chemische grondstof voor het maken van polyethyleen, 's werelds meest voorkomende plastic, die wordt gebruikt in duizenden alledaagse producten. Acetyleen, een koolwaterstof die vaak wordt aangetroffen in de gasgrondstoffen die worden gebruikt in polyethyleenfabrieken, beschadigt de katalysatoren die producenten gebruiken om ethyleen om te zetten in polyethyleen. Om deze reden, acetyleen wordt beschouwd als een "katalysatorgif" en moet uit de ethyleengrondstof worden verwijderd - vaak met een andere katalysator - voordat het schade kan veroorzaken.

Een manier waarop producenten acetyleen verwijderen, is door waterstofgas toe te voegen in de aanwezigheid van een palladiumkatalysator om het giftige acetyleen om te zetten in ethyleen - het primaire bestanddeel dat nodig is om polyethyleenhars te maken. Maar dit katalytische proces produceert ook een ander gas, ethaan, naast ethyleen. Chemische producenten proberen het proces aan te passen om zoveel mogelijk ethyleen en zo min mogelijk ethaan te produceren, maar selectiviteit blijft een uitdaging, zei Zweer.

Als proof-of-concept voor de nieuwe antenne-reactorkatalysatoren, vloeker, Halas en collega's voerden acetyleenconversietests uit bij LANP en ontdekten dat de door licht aangedreven antenne-reactorkatalysatoren een 40-op-1-verhouding van ethyleen tot ethaan produceerden, een significante verbetering in selectiviteit ten opzichte van thermische katalyse.

Swearer zei dat de potentiële energiebesparingen en verbeterde efficiëntie van de nieuwe katalysatoren waarschijnlijk de aandacht zullen trekken van chemische producenten, ook al zijn hun fabrieken momenteel niet ontworpen om katalysatoren op zonne-energie te gebruiken.

"De polyethyleenindustrie produceert elk jaar meer dan $ 90 miljard aan producten, en onze katalysatoren maken van een van de vergiften van de industrie een waardevol goed, " hij zei.

Halas zei dat ze het meest enthousiast is over het brede potentieel van de katalytische antenne-reactortechnologie.

"Het antenne-reactorontwerp is modulair, wat betekent dat we de materialen voor zowel de antenne als de reactor kunnen mixen en matchen om een ​​op maat gemaakte katalysator voor een specifieke reactie te creëren, "zei ze. "Vanwege deze flexibiliteit, er zijn veel, veel toepassingen waarbij we denken dat deze technologie beter kan presteren dan bestaande katalysatoren."