Linan Zhou, en postdoktor vid Rice University's Laboratory for Nanophotonics, designade en koppar-rutenium fotokatalysator för att göra syngas via en lågenergi, låg temperatur, torrreformeringsprocessen. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Rice Universitys ingenjörer har skapat en lättdriven nanopartikel som kan krympa koldioxidavtrycket för ett stort segment av den kemiska industrin.
Partikeln, små sfärer av koppar prickade med enstaka ruteniumatomer, är nyckelkomponenten i en grön process för att göra syngas, eller syntesgas, värdefullt kemiskt råmaterial som används för att tillverka bränslen, konstgödsel och många andra produkter. Forskare från Rice, UCLA och University of California, Santa Barbara (UCSB), beskriv lågenergin, lågtemperatursyngasproduktionsprocess denna vecka i Nature Energy.
"Syngas kan göras på många sätt, men en av dem, metan torr reformering, blir allt viktigare eftersom de kemiska insatserna är metan och koldioxid, två potenta och problematiska växthusgaser, " sa Rice kemist och ingenjör Naomi Halas, en medförfattare på tidningen.
Syngas är en blandning av kolmonoxid och vätgas som kan tillverkas av kol, biomassa, naturgas och andra källor. Den produceras vid hundratals förgasningsanläggningar över hela världen och används för att tillverka bränslen och kemikalier värda mer än 46 miljarder dollar per år, enligt en analys från 2017 av BCC Research.
Katalysatorer, material som stimulerar reaktioner mellan andra kemikalier, är kritiska för förgasning. Förgasningsanläggningar använder vanligtvis ånga och katalysatorer för att bryta isär kolväten. Väteatomerna parar sig för att bilda vätgas, och kolatomerna kombineras med syre i form av kolmonoxid. Vid torr reformering, syreatomerna kommer från koldioxid snarare än ånga. Men torrreformering har inte varit attraktivt för industrin eftersom det vanligtvis kräver ännu högre temperaturer och mer energi än ångbaserade metoder, sade studiens första författare Linan Zhou, en postdoktor vid Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP).
Halas, vem leder LANP, har arbetat i åratal för att skapa ljusaktiverade nanopartiklar som sätter in energi i kemiska reaktioner med kirurgisk precision. Under 2011, hennes team visade att det kunde öka mängden kortlivade, högenergielektroner som kallas "heta bärare" som skapas när ljus träffar metall, och 2016 presenterade de den första av flera "antennreaktorer" som använder heta bärare för att driva katalys.
En av dessa, en koppar- och ruteniumantennreaktor för framställning av väte från ammoniak, var föremål för en vetenskapsuppsats 2018 av Halas, Zhou och kollegor. Zhou sa att syngaskatalysatorn använder en liknande design. I varje, en kopparsfär på cirka 5-10 nanometer i diameter är prickad med ruteniumöar. För ammoniakkatalysatorerna, varje ö innehöll några dussin atomer av rutenium, men Zhou var tvungen att krympa dessa till en enda atom för den torra reformeringskatalysatorn.
"Hög effektivitet är viktigt för denna reaktion, men stabilitet är ännu viktigare, " sa Zhou. "Om du säger till en person inom industrin att du har en riktigt effektiv katalysator kommer de att fråga, "Hur länge kan det pågå?"
Zhou sa att frågan är viktig för producenter, eftersom de flesta förgasningskatalysatorer är benägna att "koka, " en ansamling av ytkol som så småningom gör dem oanvändbara.
Rice University forskare ökade stabiliteten i deras lågenergi, koppar-rutenium syngas fotokatalysatorer genom att krympa de aktiva platserna till enstaka atomer av rutenium (blått). Kredit:John Mark Martirez/UCLA
"De kan inte byta katalysator varje dag, " sa Zhou. "De vill ha något som kan hålla."
Genom att isolera de aktiva ruteniumplatserna där kol dissocieras från väte, Zhou minskade chanserna för kolatomer att reagera med varandra för att bilda koks och ökade sannolikheten för att de reagerar med syre för att bilda kolmonoxid.
"Men enatomsöar räcker inte, " sa han. "För stabilitet, du behöver både enstaka atomer och heta elektroner."
Zhou sa att lagets experimentella och teoretiska undersökningar pekar på varma bärare som driver bort väte från reaktorytan.
"När väte lämnar ytan snabbt, det är mer sannolikt att det bildas molekylärt väte, " sa han. "Det minskar också möjligheten för en reaktion mellan väte och syre, och lämnar syret att reagera med kol. Det är så du kan styra med den heta elektronen för att se till att den inte bildar koks."
Halas sa att forskningen kan bana väg "för hållbara, ljusdriven, låg temperatur, metanreformerande reaktioner för produktion av väte på begäran."
"Bortom syngas, singelatomen, antenn-reaktordesign kan vara användbar för att designa energieffektiva katalysatorer för andra applikationer, " Hon sa.
Tekniken har licensierats av Syzygy Plasmonics, en Houston-baserad startup vars medgrundare inkluderar Halas och studiemedförfattaren Peter Nordlander.
