Являясь экологически чистым, мощным и универсальным источником энергии, водород может сыграть ключевую роль в переходе к устойчивой энергетической экосистеме. Однако химический процесс, на который приходится более половины текущего мирового производства водорода, является существенным источником выбросов парниковых газов.
Исследователи из Университета Райса разработали катализатор, который может полностью снизить выбросы парового риформинга метана (SMR) за счет использования света, а не тепла для запуска реакции. Более того, исследование может оказаться полезным для продления срока службы катализаторов в целом, повышения эффективности и снижения затрат на ряд промышленных процессов, связанных с коксованием — формой накопления углерода, которая может дезактивировать катализаторы.
Новый медно-родиевый фотокатализатор имеет конструкцию антенны-реактора, которая при воздействии света определенной длины волны расщепляет метан и водяной пар без внешнего нагрева на водород и монооксид углерода — ценное сырье для химической промышленности, которое не является парниковым газом.
“Это одно из наших самых впечатляющих открытий на сегодняшний день, поскольку оно предлагает улучшенную альтернативу, возможно, самой важной химической реакции для современного общества”, — сказал Питер Нордландер, заведующий кафедрой физики и астрономии университета Райса, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. “Мы разработали совершенно новый, гораздо более экологичный способ проведения SMR”.
Нордландер и Наоми Халас, профессор Университета Райса и профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли К. Мура, являются авторами-корреспондентами исследования, опубликованного в Nature Catalysis.
Новый путь реакции SMR основан на открытии, сделанном в 2011 году лабораториями Халаса и Нордландера в Райсе, о том, что плазмоны — коллективные колебания электронов, возникающие при воздействии света на металлические наночастицы, — могут испускать “горячие носители” или высокоэнергетические электроны и дырки, которые могут быть использованы для запуска химических реакций.
“Мы занимаемся плазмонной фотохимией — плазмонный анализ здесь действительно является ключевым для нас, — потому что плазмоны являются действительно эффективными поглотителями света, и они могут генерировать очень энергичные переносчики, которые могут выполнять необходимые нам химические процессы гораздо эффективнее, чем обычный термокатализ”, — сказал Игао Юань, докторант Rice, который является первым автором статьи. кабинет.
Новая каталитическая система использует наночастицы меди в качестве антенн для сбора энергии. Однако, поскольку плазмонная поверхность наночастиц меди плохо связывается с метаном, в качестве реакторных площадок были использованы атомы и кластеры родия. Частицы родия связывают молекулы воды и метана с плазмонной поверхностью, используя энергию горячих носителей для запуска реакции SMR.
“Мы протестировали множество каталитических систем, но эта оказалась наиболее эффективной”, — сказал Юань.
Исследование также показывает, что технология антенного реактора может преодолеть дезактивацию катализатора из-за окисления и коксования за счет использования горячих носителей для удаления форм кислорода и углеродистых отложений, эффективно регенерируя катализатор с помощью света. По словам Нордландера, ключом к этому “замечательному эффекту стало грамотное расположение родия”, который распределен равномерно по поверхности наночастиц.
В настоящее время водород по большей части производится на крупных централизованных установках, что требует транспортировки газа к месту его использования. В отличие от этого, SMR с легким приводом позволяет производить водород по требованию, что является ключевым преимуществом для использования в приложениях, связанных с мобильностью, таких как водородные заправочные станции или даже транспортные средства.
“Это исследование демонстрирует потенциал инновационной фотохимии для изменения важнейших промышленных процессов, приближая нас к экологически устойчивому энергетическому будущему”, — сказал Халас.
Исследование было проведено при поддержке Фонда Роберта А. Уэлча и Управления научных исследований ВВС.Центр управления общим оборудованием Rice предоставил ценную информацию и поддержку в анализе данных.
