Một chất xúc tác chạy bằng năng lượng nhẹ có thể là chìa khóa cho nền kinh tế hydro

Một chất xúc tác chạy bằng năng lượng nhẹ có thể là chìa khóa cho nền kinh tế hydro

    Một chất xúc tác chạy bằng năng lượng nhẹ có thể là chìa khóa cho nền kinh tế hydro
    bởi Đại học Rice

    Rice lab's catalyst could be key for hydrogen economy
    Một tế bào phản ứng kiểm tra chất xúc tác quang plasmonic đồng-sắt để sản xuất hydro từ amoniac. Nguồn ảnh: Brandon Martin/Đại học Rice


    Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã thiết kế một vật liệu nano kích hoạt bằng ánh sáng quan trọng cho nền kinh tế hydro. Chỉ sử dụng các nguyên liệu thô rẻ tiền, một nhóm từ Phòng thí nghiệm Nanophotonics của Rice, Syzygy Plasmonics Inc. và Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger của Đại học Princeton đã tạo ra một chất xúc tác có thể mở rộng chỉ cần năng lượng ánh sáng để chuyển đổi amoniac thành nhiên liệu hydro đốt sạch.

    Nghiên cứu được công bố trực tuyến ngày hôm nay trên tạp chí Khoa học.

    Nghiên cứu này tuân theo sự đầu tư của chính phủ và ngành công nghiệp để tạo ra cơ sở hạ tầng và thị trường cho nhiên liệu amoniac lỏng không chứa carbon sẽ không góp phần vào sự nóng lên của hiệu ứng nhà kính. Amoniac lỏng dễ vận chuyển và chứa nhiều năng lượng, với một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro trên mỗi phân tử. Chất xúc tác mới phá vỡ các phân tử đó thành khí hydro, nhiên liệu đốt sạch và khí nitơ, thành phần lớn nhất của bầu khí quyển Trái đất. Và không giống như các chất xúc tác truyền thống, nó không cần nhiệt. Thay vào đó, nó thu năng lượng từ ánh sáng, có thể là ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED tiết kiệm năng lượng.

    Tốc độ của các phản ứng hóa học thường tăng theo nhiệt độ và các nhà sản xuất hóa chất đã tận dụng điều này trong hơn một thế kỷ bằng cách sử dụng nhiệt ở quy mô công nghiệp. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tăng nhiệt độ của các bình phản ứng lớn lên hàng trăm hoặc hàng nghìn độ dẫn đến lượng khí thải carbon khổng lồ. Các nhà sản xuất hóa chất cũng chi hàng tỷ đô la mỗi năm cho các chất xúc tác nhiệt—những vật liệu không phản ứng mà còn tăng tốc độ phản ứng dưới tác động của nhiệt độ cao.

    Đồng tác giả nghiên cứu Naomi Halas của Rice cho biết: “Các kim loại chuyển tiếp như sắt thường là chất xúc tác nhiệt kém. "Công trình này cho thấy chúng có thể là chất xúc tác quang plasmon hiệu quả. Nó cũng chứng minh rằng quá trình quang xúc tác có thể được thực hiện hiệu quả với các nguồn photon LED rẻ tiền."

    Peter Nordlander, cũng là đồng tác giả của Rice, cho biết: “Khám phá này mở đường cho hydro bền vững, chi phí thấp có thể được sản xuất tại địa phương thay vì ở các nhà máy tập trung quy mô lớn.

    Các chất xúc tác nhiệt tốt nhất được làm từ bạch kim và các kim loại quý có liên quan như palladi, rhodium và rutheni. Halas và Nordlander đã dành nhiều năm để phát triển các hạt nano kim loại (plasmonic) kích hoạt bằng ánh sáng. Những thứ tốt nhất trong số này cũng thường được làm bằng kim loại quý như bạc và vàng.

    Sau khám phá năm 2011 về các hạt plasmon phát ra các electron năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn được gọi là "chất mang nóng", vào năm 2016, họ đã phát hiện ra rằng các máy phát chất mang nóng có thể kết hợp với các hạt xúc tác để tạo ra "lò phản ứng ăng ten" lai, trong đó một một phần thu năng lượng từ ánh sáng và phần còn lại sử dụng năng lượng để điều khiển các phản ứng hóa học với độ chính xác phẫu thuật.

    Halas, Nordlander, các sinh viên và cộng tác viên của họ đã làm việc trong nhiều năm để tìm ra các giải pháp thay thế kim loại không quý cho cả hai nửa thu năng lượng và tăng tốc độ phản ứng của lò phản ứng ăng-ten. Nghiên cứu mới là đỉnh cao của công việc đó. Trong đó, Halas, Nordlander, cựu sinh viên Rice Hossein Robatjazi, kỹ sư Princeton và nhà hóa học vật lý Emily Carter, và những người khác chỉ ra rằng các hạt phản ứng ăng-ten làm bằng đồng và sắt có hiệu quả cao trong việc chuyển đổi amoniac. Mảnh thu hoạch năng lượng bằng đồng của các hạt thu năng lượng từ ánh sáng nhìn thấy được.


    Một tế bào phản ứng (trái) và nền xúc tác quang (phải) được sử dụng trong các thử nghiệm chất xúc tác quang plasmonic đồng-sắt để sản xuất hydro từ amoniac tại Syzygy Plasmonics ở Houston. Tất cả năng lượng phản ứng cho chất xúc tác đến từ đèn LED tạo ra ánh sáng có bước sóng 470 nanomet. Tín dụng: Syzygy Plasmonics, Inc.
    "Khi không có ánh sáng, chất xúc tác đồng-sắt thể hiện khả năng phản ứng thấp hơn khoảng 300 lần so với chất xúc tác đồng-ruthenium, điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì ruthenium là chất xúc tác nhiệt tốt hơn cho phản ứng này," Robatjazi, tiến sĩ cho biết. cựu sinh viên từ nhóm nghiên cứu của Halas hiện là nhà khoa học trưởng tại Syzygy Plasmonics có trụ sở tại Houston. "Dưới ánh sáng, đồng-sắt cho thấy hiệu quả và khả năng phản ứng tương tự và có thể so sánh được với đồng-ruthenium.

    Syzygy đã cấp phép cho công nghệ lò phản ứng ăng-ten của Rice và nghiên cứu bao gồm các thử nghiệm quy mô lớn về chất xúc tác trong các lò phản ứng chạy bằng đèn LED có bán trên thị trường của công ty. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Rice, chất xúc tác đồng-sắt đã được chiếu sáng bằng tia laze. Các thử nghiệm Syzygy cho thấy các chất xúc tác vẫn giữ được hiệu quả của chúng dưới ánh sáng đèn LED và ở quy mô lớn hơn 500 lần so với thiết lập trong phòng thí nghiệm.


    Nền xúc tác quang được sử dụng trong các thử nghiệm của chất xúc tác quang plasmonic đồng-sắt để sản xuất hydro từ amoniac. Tín dụng: Brandon Martin/Đại học Rice
    "Đây là báo cáo đầu tiên trong tài liệu khoa học cho thấy rằng quang xúc tác với đèn LED có thể tạo ra lượng khí hydro ở quy mô gam từ ammonia, Halas nói. "Điều này mở ra cơ hội thay thế hoàn toàn các kim loại quý trong quang xúc tác plasmonic."

    Carter cho biết thêm: “Với tiềm năng giảm đáng kể lượng khí thải carbon của ngành hóa học, các chất xúc tác quang ăng-ten-lò phản ứng plasmon đáng được nghiên cứu thêm”. "Những kết quả này là một động lực tuyệt vời. Họ gợi ý rằng có khả năng là sự kết hợp khác của các kim loại phong phú có thể được sử dụng làm chất xúc tác hiệu quả về chi phí cho một loạt các phản ứng hóa học."

    Zalo
    Hotline