Los ingenieros de la Universidad de Rice han creado una nanopartícula de energía luminosa que podría reducir la huella de carbono de un segmento importante de la industria química.
La partícula, pequeñas esferas de cobre salpicadas con átomos individuales de rutenio, es el componente clave en un proceso verde para fabricar gas de síntesis o gas de síntesis, valiosa materia prima química que se utiliza para fabricar combustibles, fertilizantes y muchos otros productos. Investigadores de Rice, UCLA y la Universidad de California, Santa Bárbara UCSB, describen el proceso de producción de gas de síntesis de baja energía y baja temperatura esta semana en Nature Energy.
"El gas de síntesis se puede hacer de muchas maneras, pero una de ellas, el reformado en seco con metano, es cada vez más importante porque los insumos químicos son metano y dióxido de carbono, dos gases de efecto invernadero potentes y problemáticos", dijo Naomi Halas, químico e ingeniero de Rice.co-corresponsal del autor en el artículo
Syngas es una mezcla de monóxido de carbono y gas de hidrógeno que puede fabricarse a partir de carbón, biomasa, gas natural y otras fuentes. Se produce en cientos de plantas de gasificación en todo el mundo y se utiliza para producir combustibles y productos químicos por un valor de más de $ 46 mil millones por año, según un análisis de 2017 realizado por BCC Research.
Los catalizadores, materiales que estimulan reacciones entre otras sustancias químicas, son críticos para la gasificación. Las plantas de gasificación generalmente usan vapor y catalizadores para separar los hidrocarburos. Los átomos de hidrógeno se unen para formar hidrógeno gaseoso, y los átomos de carbono se combinan con oxígeno en forma demonóxido de carbono. En el reformado en seco, los átomos de oxígeno provienen del dióxido de carbono en lugar del vapor. Pero el reformado en seco no ha sido atractivo para la industria porque generalmente requiere temperaturas aún más altas y más energía que los métodos basados en el vapor, dijo el primer autor del estudio, Linan Zhou., investigador postdoctoral en el Laboratorio de Rice para Nanofotónica LANP.
Halas, quien dirige LANP, ha trabajado durante años para crear nanopartículas activadas por la luz que insertan energía en las reacciones químicas con precisión quirúrgica. En 2011, su equipo demostró que podría aumentar la cantidad de electrones de corta duración y alta energía llamados "portadores calientes "que se crean cuando la luz incide en el metal, y en 2016 dieron a conocer el primero de varios" reactores de antena "que usan portadores calientes para impulsar la catálisis.
Uno de estos, un reactor de antena de cobre y rutenio para producir hidrógeno a partir de amoníaco, fue el tema de un artículo de Ciencia de 2018 por Halas, Zhou y sus colegas. Zhou dijo que el catalizador de gas de síntesis usa un diseño similar.De 5 a 10 nanómetros de diámetro están salpicadas de islas de rutenio. Para los catalizadores de amoníaco, cada isla contenía unas pocas docenas de átomos de rutenio, pero Zhou tuvo que reducirlos a un solo átomo para el catalizador de reformado seco.
"La alta eficiencia es importante para esta reacción, pero la estabilidad es aún más importante", dijo Zhou. "Si le dice a una persona en la industria que tiene un catalizador realmente eficiente, le preguntará: '¿Cuánto tiempo puede durar?'"
Zhou dijo que la pregunta es importante para los productores, porque la mayoría de los catalizadores de gasificación son propensos a la "coquización", una acumulación de carbono superficial que eventualmente los vuelve inútiles.
"No pueden cambiar el catalizador todos los días", dijo Zhou. "Quieren algo que pueda durar".
Al aislar los sitios activos de rutenio donde el carbono se disocia del hidrógeno, Zhou redujo las posibilidades de que los átomos de carbono reaccionen entre sí para formar coque y aumentó la probabilidad de que reaccionen con el oxígeno para formar monóxido de carbono.
"Pero las islas de un solo átomo no son suficientes", dijo. "Para la estabilidad, se necesitan átomos individuales y electrones calientes".
Zhou dijo que las investigaciones experimentales y teóricas del equipo apuntan a portadores calientes que alejan el hidrógeno de la superficie del reactor.
"Cuando el hidrógeno abandona la superficie rápidamente, es más probable que forme hidrógeno molecular", dijo. "También disminuye la posibilidad de una reacción entre hidrógeno y oxígeno, y deja que el oxígeno reaccione con el carbono. Así es como se puede controlarcon el electrón caliente para asegurarse de que no forme cocaína "
Halas dijo que la investigación podría allanar el camino "para reacciones sostenibles, de baja temperatura, reformadoras de metano para la producción de hidrógeno bajo demanda"
"Más allá del gas de síntesis, el diseño de reactor de antena de un solo átomo podría ser útil para diseñar catalizadores energéticamente eficientes para otras aplicaciones", dijo.
La tecnología ha sido autorizada por Syzygy Plasmonics, una startup con sede en Houston cuyos cofundadores incluyen a Halas y el coautor del estudio Peter Nordlander.
Halas es el profesor de Rice de Stanley C. Moore de Ingeniería Eléctrica e Informática y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de los materiales y nanoingeniería. Nordlander es la Cátedra Wiess y Profesor de Física y Astronomía, y profesor de electricidad y computacióningeniería y ciencia de materiales y nanoingeniería.
Otros coautores incluyen a Chao Zhang, Dayne Swearer, Shu Tian, Hossein Robatjazi, Minhan Lou, Liangliang Dong y Luke Henderson, todos de Rice; John Mark Martirez y Emily Carter, ambos de UCLA; y Jordan Finzel y Phillip Christopher deUCSB.
La investigación fue apoyada por la Fundación Welch, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea FA9550-15-1-0022 y el Departamento de Defensa.
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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