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莱斯大学研究发现:光动力纳米材料催化剂可廉价生产氢燃料

时间:2022-11-29 16:23:44 来源:CBC金属网

内容描述:莱斯大学的研究人员已经设计了一种用于氢经济的关键光激活纳米材料。科学家们只使用廉价的原材料,创造了一种可扩展的催化剂,只需要光的力量就可以将氨转化为清洁燃烧的氢燃料。这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上,由莱斯纳米光子学实验室,Syzygy Plasmonics Inc.和普林斯顿大学安德林格能源与环境中心的团队进行。

莱斯大学的研究人员已经设计了一种用于氢经济的关键光激活纳米材料。科学家们只使用廉价的原材料,创造了一种可扩展的催化剂,只需要光的力量就可以将氨转化为清洁燃烧的氢燃料。

“这一发现为可持续的低成本氢气铺平了道路,这种氢气可以在当地生产,而不是在大型集中式工厂生产。”

这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上,由莱斯纳米光子学实验室,Syzygy Plasmonics Inc.和普林斯顿大学安德林格能源与环境中心的团队进行。

最近政府和行业投资为无碳液氨燃料创建基础设施和市场,这些燃料不会有助于温室变暖,与这项研究很好地协同作用。由于液氨易于运输且含有大量能量,每个分子有一个氮原子和三个氢原子,因此液氨是未来有前途的清洁燃料。

新的催化剂将这些氨分子(NH3)分解成氢气(H2)和氮气(N2),这是一种清洁燃烧的燃料,氮气(N2)是地球大气的最大成分。与传统催化剂不同,它不需要加热。相反,它从光中收集能量,无论是阳光还是节能LED。

化学反应的速度通常随着温度的增加而增加,一个多世纪以来,化学品生产商一直通过工业规模的加热来利用这一点。燃烧化石燃料以使大型反应容器的温度升高数百或数千度会导致巨大的碳足迹。化学品生产商每年还在热催化剂上花费数十亿美元-这些材料不会发生反应,但在强烈加热下会进一步加速反应。

“像铁这样的过渡金属通常是较差的热催化剂,”该研究的共同作者Naomi Halas说。“这项工作表明它们可以成为有效的等离子体光催化剂。它还表明,光催化可以用廉价的LED光子源有效地进行。

“这一发现为可持续的低成本氢气铺平了道路,可以在当地生产,而不是在大型集中式工厂生产,”赖斯合著者Peter Nordlander说。

最好的热催化剂由铂和相关贵金属(如钯、铑和钌)制成。Halas和Nordlander花了数年时间开发光激活或等离子体金属纳米颗粒。其中最好的通常也由银和金等贵金属制成。

在2011年发现等离子体粒子释放出称为“热载流子”的短寿命高能电子之后,他们在2016年发现热载流子发电机可以与催化粒子结合以产生混合的“天线反应堆”,其中一部分从光中收集能量,另一部分利用能量以外科手术精度驱动化学反应。

Halas,Nordlander,他们的学生和合作者多年来一直致力于为天线反应堆的能量收集和反应加速两半寻找非贵金属替代品。这项新研究是这项工作的高潮。在其中,Halas,Nordlander,莱斯校友Hossein Robatjazi,普林斯顿工程师和物理化学家Emily Carter等人表明,由铜和铁制成的天线反应堆颗粒在转化氨方面非常有效。粒子的铜能量收集部分从可见光中捕获能量。

休斯顿Syzygy等离子体电子公司用于测试铜铁等离子体光催化剂以从氨生产氢气的反应池(左)和光催化平台(右)。催化的所有反应能量都来自产生波长为470纳米的光的LED。信用:Syzygy Plasmonics,Inc.

“在没有光的情况下,铜-铁催化剂的反应性比铜-钌催化剂低约300倍,这并不奇怪,因为钌是这种反应的更好的热催化剂,”Robatjazi说,他是Halas研究小组的博士校友,现在是休斯顿Syzygy Plasmonics的首席科学家。“在照明下,铜铁显示出与铜钌相似和可比的效率和反应性。

Syzygy已经授权了赖斯的天线反应堆技术,该研究包括在该公司商用的LED动力反应堆中对催化剂进行放大测试。在赖斯的实验室测试中,铜铁催化剂被激光照射。Syzygy测试表明,催化剂在LED照明下保持其效率,规模比实验室设置大500倍。

“这是科学文献中第一份报告,表明用LED光催化可以从氨中产生克级的氢气,”哈拉斯说。“这为等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。

“鉴于它们在显着减少化学部门碳排放方面的潜力,等离子体天线-反应器光催化剂值得进一步研究,”卡特补充道。“这些结果是一个很大的动力。他们认为,其他丰富金属的组合可能被用作各种化学反应的具有成本效益的催化剂。

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