Forscher der Rice University haben ein wichtiges lichtaktiviertes Nanomaterial für die Wasserstoffwirtschaft entwickelt. Ein Team von Rice’s Laboratory for Nanophotonics, Syzygy Plasmonics Inc. und dem Andlinger Center for Energy and the Environment der Princeton University hat nur billige Rohstoffe verwendet und einen skalierbaren Katalysator entwickelt, der nur die Kraft des Lichts benötigt, um Ammoniak in sauber verbrennenden Wasserstoffbrennstoff umzuwandeln.
Die Forschung wird heute online in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Die Forschung folgt staatlichen und industriellen Investitionen zur Schaffung von Infrastruktur und Märkten für kohlenstofffreien flüssigen Ammoniakbrennstoff, der nicht zur Erwärmung des Treibhauses beiträgt. Flüssiges Ammoniak ist leicht zu transportieren und steckt voller Energie, mit einem Stickstoff- und drei Wasserstoffatomen pro Molekül. Der neue Katalysator zerlegt diese Moleküle in Wasserstoffgas, einen sauber verbrennenden Brennstoff, und Stickstoffgas, den größten Bestandteil der Erdatmosphäre. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren benötigt es keine Hitze. Stattdessen gewinnt es Energie aus Licht, entweder Sonnenlicht oder energiegeizigen LEDs.
Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen nimmt typischerweise mit der Temperatur zu, und Chemiehersteller nutzen dies seit mehr als einem Jahrhundert, indem sie Wärme im industriellen Maßstab anwenden. Das Verbrennen fossiler Brennstoffe, um die Temperatur großer Reaktionsgefäße um Hunderte oder Tausende von Grad zu erhöhen, führt zu einem enormen CO2-Fußabdruck. Chemieproduzenten geben außerdem jedes Jahr Milliarden von Dollar für Thermokatalysatoren aus – Materialien, die nicht reagieren, aber Reaktionen unter starker Erwärmung weiter beschleunigen.
„Übergangsmetalle wie Eisen sind typischerweise schlechte Thermokatalysatoren“, sagte Studienkoautorin Naomi Halas von Rice. „Diese Arbeit zeigt, dass sie effiziente plasmonische Photokatalysatoren sein können. Sie zeigt auch, dass die Photokatalyse mit kostengünstigen LED-Photonenquellen effizient durchgeführt werden kann.“
„Diese Entdeckung ebnet den Weg für nachhaltigen, kostengünstigen Wasserstoff, der lokal und nicht in riesigen zentralisierten Anlagen produziert werden könnte“, sagte Peter Nordlander, ebenfalls Co-Autor von Rice.
Die besten Thermokatalysatoren werden aus Platin und verwandten Edelmetallen wie Palladium, Rhodium und Ruthenium hergestellt. Halas und Nordlander verbrachten Jahre damit, lichtaktivierte (plasmonische) Metallnanopartikel zu entwickeln. Die besten davon werden typischerweise auch mit Edelmetallen wie Silber und Gold hergestellt.
Nach ihrer Entdeckung von plasmonischen Teilchen im Jahr 2011, die kurzlebige, hochenergetische Elektronen abgeben, die als „heiße Träger“ bezeichnet werden, entdeckten sie 2016, dass Generatoren für heiße Träger mit katalytischen Teilchen verheiratet werden könnten, um hybride „Antennenreaktoren“ herzustellen, wo einer Ein Teil gewann Energie aus Licht und der andere Teil nutzte die Energie, um chemische Reaktionen mit chirurgischer Präzision anzutreiben.
Halas, Nordlander, ihre Studenten und Mitarbeiter haben jahrelang daran gearbeitet, unedle Metallalternativen sowohl für die energiesammelnde als auch für die reaktionsbeschleunigende Hälfte von Antennenreaktoren zu finden. Die neue Studie ist ein Höhepunkt dieser Arbeit. Darin zeigen Halas, Nordlander, Rice-Alumnus Hossein Robatjazi, Princeton-Ingenieurin und Physikochemikerin Emily Carter und andere, dass Antennenreaktor-Partikel aus Kupfer und Eisen höchst effizient Ammoniak umwandeln. Das energiesammelnde Kupferstück der Partikel fängt Energie aus sichtbarem Licht ein.
„In Abwesenheit von Licht zeigte der Kupfer-Eisen-Katalysator eine etwa 300-mal geringere Reaktivität als Kupfer-Ruthenium-Katalysatoren, was nicht überraschend ist, da Ruthenium ein besserer Thermokatalysator für diese Reaktion ist“, sagte Robatjazi, Ph.D. Alumnus aus der Forschungsgruppe von Halas, der jetzt Chefwissenschaftler bei Syzygy Plasmonics in Houston ist. „Unter Beleuchtung zeigte das Kupfer-Eisen Wirkungsgrade und Reaktivitäten, die denen von Kupfer-Ruthenium ähnlich und vergleichbar waren.
Syzygy hat die Antennen-Reaktor-Technologie von Rice lizenziert, und die Studie umfasste groß angelegte Tests des Katalysators in den kommerziell erhältlichen, LED-betriebenen Reaktoren des Unternehmens. In Labortests bei Rice waren die Kupfer-Eisen-Katalysatoren mit Lasern beleuchtet worden. Die Syzygy-Tests zeigten, dass die Katalysatoren ihre Effizienz unter LED-Beleuchtung und in einem 500-mal größeren Maßstab als im Laboraufbau beibehielten.
„Dies ist der erste Bericht in der wissenschaftlichen Literatur, der zeigt, dass die Photokatalyse mit LEDs Wasserstoffgasmengen im Grammmaßstab aus Ammoniak erzeugen kann“, sagte Halas. „Dies öffnet die Tür, um Edelmetalle in der plasmonischen Photokatalyse vollständig zu ersetzen.“
„Angesichts ihres Potenzials, die Kohlenstoffemissionen des chemischen Sektors erheblich zu reduzieren, sind plasmonische Antennenreaktor-Photokatalysatoren eine weitere Untersuchung wert“, fügte Carter hinzu. „Diese Ergebnisse sind eine große Motivation. Sie legen nahe, dass andere Kombinationen von reichlich vorhandenen Metallen wahrscheinlich als kostengünstige Katalysatoren für eine Vielzahl von chemischen Reaktionen verwendet werden könnten.“
Mehr Informationen:
Yigao Yuan et al, Auf der Erde reichlich vorhandener Photokatalysator für die H2-Erzeugung aus NH3 mit Leuchtdiodenbeleuchtung, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636