I ett fynd som kan förändra några av världens mest energikrävande tillverkningsprocesser, forskare vid Rice University's Laboratory for Nanophotonics har presenterat en ny metod för att förena ljusfångande fotoniska nanomaterial och högeffektiva metallkatalysatorer.

Varje år, kemiska tillverkare lägger miljarder dollar på metallkatalysatorer, material som stimulerar eller påskyndar kemiska reaktioner. Katalysatorer används för att producera kemiska produkter till biljoner dollar. Tyvärr, de flesta katalysatorer fungerar bara vid höga temperaturer eller högt tryck eller båda. Till exempel, U.S. Energy Information Agency uppskattade att 2010, bara ett segment av den amerikanska kemiska industrin, tillverkning av plastharts, använde nästan 1 kvadrillion brittiska termiska energienheter, ungefär samma mängd energi som finns i 8 miljarder liter bensin.

Nanotekniska forskare har länge varit intresserade av att fånga några av den globala katalysmarknaden med energieffektiva fotoniska material, metalliska material som är skräddarsydda med atomprecision för att skörda energi från solljus. Tyvärr, de bästa nanomaterialen för skörd av ljus - guld, silver och aluminium - är inte särskilt bra katalysatorer, och de bästa katalysatorerna - palladium, platina och rodium - är dåliga på att fånga solenergi.

Den nya katalysatorn, som beskrivs i en studie den här veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences , är den senaste innovationen från LANP, en tvärvetenskaplig, forskargrupp med flera utredare som leds av fotonikpionjären Naomi Halas. Hallå, som också leder Rices Smalley-Curl Institute, sade ett antal studier under de senaste åren har visat att ljusaktiverade "plasmoniska" nanopartiklar kan användas för att öka mängden ljus som absorberas av intilliggande mörka nanopartiklar. Plasmoner är vågor av elektroner som slänger som en vätska över ytan på små metalliska nanopartiklar. Beroende på frekvensen av deras sloshing, dessa plasmoniska vågor kan interagera med och skörda energin från att passera ljus.

Sommaren 2015, Halas och studieförfattaren Peter Nordlander utformade ett experiment för att testa om en plasmonisk antenn kunde fästas på en katalytisk reaktorpartikel. Doktoranden Dayne Swearer arbetade med dem, Rismaterialforskaren Emilie Ringe och andra vid Rice and Princeton University för att producera, testa och analysera prestanda för "antennreaktor" -designen.

Swearer började med att syntetisera aluminiumkristaller med 100 nanometer diameter som, en gång utsatt för luft, utveckla en tunn 2- till 4-nanometer tjock beläggning av aluminiumoxid. De oxiderade partiklarna behandlades sedan med ett palladiumsalt för att initiera en reaktion som resulterade i att små öar av palladiummetall bildades på ytan av de oxiderade partiklarna. Den ooxiderade aluminiumkärnan fungerar som plasmonisk antenn och palladiumöarna som katalytiska reaktorer.

Swearer sa att den kemiska industrin redan använder aluminiumoxidmaterial som är prickade med palladiumöar för att katalysera reaktioner, men palladium i dessa material måste värmas till höga temperaturer för att bli en effektiv katalysator.

"Du måste lägga till energi för att förbättra den katalytiska effektiviteten, "sa han." Våra katalysatorer behöver också energi, men de drar det direkt från ljuset och kräver ingen ytterligare uppvärmning. "

Ett exempel på en process där de nya antennreaktorkatalysatorerna kan användas är att reagera acetylen med väte för att producera eten, Swearer sa.

Etylen är det kemiska råmaterialet för tillverkning av polyeten, världens vanligaste plast, som används i tusentals vardagsprodukter. Acetylen, ett kolväte som ofta finns i gasmaterialen som används vid polyetenanläggningar, skadar katalysatorerna som tillverkarna använder för att omvandla eten till polyeten. Av denna anledning, acetylen anses vara ett "katalysatorgift" och måste avlägsnas från etenmaterialet - ofta med en annan katalysator - innan det kan orsaka skada.

Ett sätt producenter tar bort acetylen är att tillsätta vätgas i närvaro av en palladiumkatalysator för att omvandla den giftiga acetylen till eten - den primära komponenten som behövs för att tillverka polyetenharts. Men denna katalytiska process producerar också en annan gas, etan, förutom eten. Kemiska tillverkare försöker skräddarsy processen för att producera så mycket eten och så lite etan som möjligt, men selektivitet är fortfarande en utmaning, Swearer sa.

Som ett bevis på konceptet för de nya antennreaktorkatalysatorerna, Swearer, Halas och kollegor genomförde acetylenomvandlingstester vid LANP och fann att de ljusdrivna antennreaktorkatalysatorerna producerade ett förhållande mellan etylen och etan på 40 till 1, en signifikant förbättring av selektiviteten jämfört med termisk katalys.

Swearer sa att de potentiella energibesparingarna och förbättrade effektiviteten hos de nya katalysatorerna sannolikt kommer att fånga uppmärksamheten hos kemiska tillverkare, även om deras anläggningar för närvarande inte är avsedda att använda soldrivna katalysatorer.

"Polyetenindustrin producerar mer än 90 miljarder dollar i produkter varje år, och våra katalysatorer gör en av branschens gifter till en värdefull vara, " han sa.

Halas sa att hon är mest upphetsad över den breda potentialen i antennreaktorkatalytisk teknik.

"Antennreaktorns konstruktion är modulär, vilket innebär att vi kan blanda och matcha materialen för både antennen och reaktorn för att skapa en skräddarsydd katalysator för en specifik reaktion, "sa hon." På grund av denna flexibilitet, det är många, många applikationer där vi tror att denna teknik kan överträffa befintliga katalysatorer. "