En un hallazgo que podría transformar algunos de los procesos de fabricación más intensivos en energía del mundo, los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice han presentado un nuevo método para unir nanomateriales fotónicos de captura de luz y catalizadores metálicos de alta eficiencia.
Cada año, los productores químicos gastan miles de millones de dólares en catalizadores metálicos, materiales que estimulan o aceleran las reacciones químicas. Los catalizadores se utilizan para producir billones de dólares en productos químicos. Desafortunadamente, la mayoría de los catalizadores solo funcionan a altas temperaturas o altas presiones oPor ejemplo, la Agencia de Información Energética de EE. UU. estimó que en 2010, solo un segmento de la industria química de EE. UU., la producción de resina plástica, usó casi 1 billón de unidades térmicas británicas de energía, aproximadamente la misma cantidad de energía contenida en 8 mil millones de galones degasolina.
Los investigadores de nanotecnología llevan mucho tiempo interesados en capturar algunos de los mercados mundiales de catálisis con materiales fotónicos eficientes energéticamente, materiales metálicos hechos a medida con precisión atómica para recolectar energía de la luz solar. Desafortunadamente, los mejores nanomateriales para cosechar luz: oro, plata y aluminio, no son muy buenos catalizadores, y los mejores catalizadores, paladio, platino y rodio, son pobres en la captura de energía solar.
El nuevo catalizador, que se describe en un estudio esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias es la última innovación de LANP, un grupo de investigación multidisciplinario e investigador dirigido por la pionera en fotónica Naomi Halas. Halas, quien también dirige el Instituto Smalley-Curl de Rice, dijo que varios estudios en los últimos años han demostrado que la luz se activóLas nanopartículas "plasmónicas" se pueden usar para aumentar la cantidad de luz absorbida por las nanopartículas oscuras adyacentes. Los plasmones son ondas de electrones que chapotean como un fluido a través de la superficie de pequeñas nanopartículas metálicas. Dependiendo de la frecuencia de su chapoteo, estas ondas plasmónicas pueden interactuarcon y cosechar la energía de la luz que pasa.
En el verano de 2015, Halas y el coautor del estudio Peter Nordlander diseñaron un experimento para probar si una antena plasmónica podría unirse a una partícula del reactor catalítico. La estudiante graduada Dayne Swearer trabajó con ellos, la científica de materiales de Rice Emilie Ringe y otros en Rice yPrinceton University para producir, probar y analizar el rendimiento del diseño del "reactor de antena".
Swearer comenzó por sintetizar cristales de aluminio de 100 nanómetros de diámetro que, una vez expuestos al aire, desarrollan una capa delgada de óxido de aluminio de 2 a 4 nanómetros de espesor. Las partículas oxidadas fueron tratadas con una sal de paladio para iniciar una reacciónque resultó en pequeñas islas de metal de paladio que se formaron en la superficie de las partículas oxidadas. El núcleo de aluminio no oxidado sirve como antena plasmónica y las islas de paladio como reactores catalíticos.
Swearer dijo que la industria química ya usa materiales de óxido de aluminio que están salpicados de islas de paladio para catalizar reacciones, pero el paladio en esos materiales debe calentarse a altas temperaturas para convertirse en un catalizador eficiente.
"Necesita agregar energía para mejorar la eficiencia catalítica", dijo. "Nuestros catalizadores también necesitan energía, pero la extraen directamente de la luz y no requieren calentamiento adicional".
Un ejemplo de un proceso en el que podrían usarse los nuevos catalizadores de antena-reactor es para hacer reaccionar el acetileno con hidrógeno para producir etileno, dijo Swearer.
El etileno es la materia prima química para fabricar polietileno, el plástico más común del mundo, que se usa en miles de productos cotidianos. El acetileno, un hidrocarburo que a menudo se encuentra en las materias primas de gas que se usan en las plantas de polietileno, daña los catalizadores que usan los productorespara convertir etileno en polietileno. Por esta razón, el acetileno se considera un "veneno de catalizador" y debe eliminarse de la materia prima de etileno, a menudo con otro catalizador, antes de que pueda causar daños.
Una forma en que los productores eliminan el acetileno es agregando gas hidrógeno en presencia de un catalizador de paladio para convertir el acetileno venenoso en etileno, el componente principal necesario para fabricar resina de polietileno. Pero este proceso catalítico también produce otro gas, etano, ademásal etileno. Los productores químicos intentan adaptar el proceso para producir tanto etileno y tan poco etano como sea posible, pero la selectividad sigue siendo un desafío, dijo Swearer.
Como prueba de concepto para los nuevos catalizadores de reactores de antena, Swearer, Halas y sus colegas realizaron pruebas de conversión de acetileno en LANP y descubrieron que los catalizadores de reactores de antena impulsados por la luz producían una proporción de 40 a 1 de etileno aetano, una mejora significativa en la selectividad sobre la catálisis térmica.
Swearer dijo que es probable que los ahorros potenciales de energía y la mejora de la eficiencia de los nuevos catalizadores capten la atención de los productores de productos químicos, a pesar de que sus plantas no están diseñadas actualmente para usar catalizadores con energía solar.
"La industria del polietileno produce más de $ 90 mil millones en productos cada año, y nuestros catalizadores convierten uno de los venenos de la industria en un producto valioso", dijo.
Halas dijo que está muy entusiasmada con el amplio potencial de la tecnología catalítica del reactor de antena.
"El diseño del reactor de antena es modular, lo que significa que podemos mezclar y combinar los materiales para la antena y el reactor para crear un catalizador a medida para una reacción específica", dijo. "Debido a esta flexibilidad, hay muchos, muchas aplicaciones donde creemos que esta tecnología podría superar a los catalizadores existentes "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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