Un nouveau catalyseur pourrait être la clé de l’économie de l’hydrogène

Des chercheurs de l’Université Rice ont mis au point un nanomatériau activé par la lumière pour l’économie de l’hydrogène. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du Rice Nanophotonics Lab, Syzygy Plasmonics Inc. et le Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement de l’Université de Princeton, ont créé un catalyseur évolutif qui n’a besoin que de la puissance de la lumière pour convertir l’ammoniac en hydrogène à combustion propre.

La recherche est publiée en ligne aujourd’hui dans la revue La science.

La recherche suit les investissements du gouvernement et de l’industrie pour créer des infrastructures et des marchés pour l’ammoniac liquide sans carbone qui ne contribuera pas au réchauffement à effet de serre. L’ammoniac liquide est facile à transporter et contient beaucoup d’énergie, avec un atome d’azote et trois atomes d’hydrogène par molécule. Le nouveau catalyseur décompose ces molécules en hydrogène gazeux, un carburant propre, et en azote gazeux, le plus grand composant de l’atmosphère terrestre. Et contrairement aux catalyseurs traditionnels, il ne nécessite aucune chaleur. Au lieu de cela, il récupère l’énergie de la lumière, soit la lumière du soleil, soit des LED gourmandes en énergie.

La vitesse des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques exploitent cela depuis plus d’un siècle en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température de grands réacteurs de centaines ou de milliers de degrés entraîne une énorme empreinte carbone. Les fabricants de produits chimiques dépensent également des milliards de dollars chaque année en thermocatalyseurs, des matériaux qui ne réagissent pas mais qui accélèrent quand même les réactions lorsqu’ils sont chauffés intensément.

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“Les métaux de transition comme le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs”, a déclaré la co-auteure de l’étude, Naomi Halas de Rice. “Ce travail montre qu’ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces.” Il montre également que la photocatalyse peut être efficacement réalisée avec des sources de photons LED à faible coût.

“Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et à faible coût qui pourrait être produit localement plutôt que dans des usines centralisées massives”, a déclaré Peter Nordlander, également co-auteur avec Rice.

Les meilleurs thermocatalyseurs sont constitués de platine et de métaux nobles apparentés tels que le palladium, le rhodium et le ruthénium. Hallas et Nordlander ont passé des années à développer des nanoparticules métalliques activées par la lumière, ou métaux plasmoniques. Les meilleurs sont également généralement fabriqués avec des métaux précieux comme l’argent et l’or.

Suite à leur découverte en 2011 de particules plasmoniques qui émettent des électrons à haute énergie et à courte durée de vie appelés « porteurs chauds », ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds pouvaient être mariés à des particules catalytiques pour produire des « réacteurs hybrides à antenne, où une partie récoltée l’énergie de la lumière, et l’autre partie utilisait l’énergie pour provoquer des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Hallas, Nordlaender, leurs étudiants et collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives aux métaux de base pour les moitiés de réacteur d’antenne afin de récolter l’énergie et d’accélérer la réaction. La nouvelle étude est l’aboutissement de ce travail. Dans ce document, Halas, Nordlaender, l’ancien étudiant de Rice Hossein Robatiazi, l’ingénieur et physico-chimiste de Princeton Emily Carter et d’autres montrent que les particules de cuivre et de fer de l’antenne-réacteur sont très efficaces pour convertir l’ammoniac. La partie en cuivre qui capte l’énergie des particules capte l’énergie de la lumière visible.

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“En l’absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer a montré environ 300 fois moins de réactivité que les catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n’est pas surprenant étant donné que le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction”, a déclaré Robatiazi, un Ph.D. du groupe de recherche de Halas, qui est maintenant scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics, basé à Houston. “Sous illumination, le cuivre-fer a montré des efficacités et des réactivités similaires et comparables à celles du cuivre-ruthénium.

Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et l’étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs LED disponibles dans le commerce de la société. Lors d’essais en laboratoire à Rice, des catalyseurs cuivre-fer ont été éclairés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs maintenaient leur efficacité sous un éclairage LED et à une échelle 500 fois plus grande qu’en laboratoire.

“Il s’agit du premier rapport dans la littérature scientifique montrant que la photocatalyse avec des LED peut produire des grammes d’hydrogène à partir d’ammoniac”, a déclaré Halas. “Cela ouvre la porte au remplacement complet des métaux nobles dans la photocatalyse plasmonique.

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“Compte tenu de leur potentiel à réduire considérablement les émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs à antenne-réacteur plasmonique méritent une étude plus approfondie”, a ajouté Carter. “Ces résultats sont une grande source de motivation. Ils suggèrent qu’il est probable que d’autres combinaisons de métaux abondants pourraient être utilisées comme catalyseurs rentables pour un large éventail de réactions chimiques.”

Halas est titulaire de la chaire Stanley C. de génie électrique et informatique. Moore à Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d’astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nordlander est professeur Wis Rice et professeur de physique et d’astronomie, et professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Carter est le Gerhard R. Robatiazi est également professeur adjoint de chimie à Rice.

Halas et Nordlander sont co-fondateurs de Syzygy et détiennent une participation dans l’entreprise.

La recherche a été soutenue par la Fondation Welch (C-1220, C-1222), le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force (FA9550-15-1-0022), Syzygy Plasmonics, le Département de la défense et l’Université de Princeton.

Les autres co-auteurs sont Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bales, Lin Yuan, Minhe Lu et Minhan Lu de Rice, Linan Zhou de Rice and South China University of Technology, Suman Katiwada de Syzygy Plasmonics et Junwei Lucas Bao de Princeton et Boston . Collège.

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