Los ingenieros de la Universidad de Rice han creado una nanopartícula alimentada por luz que podría reducir la huella de carbono de un segmento importante de la industria química.

La partícula diminutas esferas de cobre salpicadas de átomos individuales de rutenio, es el componente clave en un proceso ecológico para producir gas de síntesis, o gas de síntesis, materia prima química valiosa que se utiliza para fabricar combustibles, fertilizantes y muchos otros productos. Investigadores de Rice, UCLA y la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB), describir la baja energía, proceso de producción de gas de síntesis a baja temperatura esta semana en Nature Energy.

"El gas de síntesis se puede producir de muchas formas, pero uno de esos, reformado en seco de 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 la química e ingeniera de Rice, Naomi Halas, un coautor del artículo.

El gas de síntesis es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno gaseoso que se puede fabricar 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 fabricar combustibles y productos químicos por valor de más de $ 46 mil millones por año. según un análisis de 2017 de BCC Research.

Catalizadores, materiales que provocan reacciones entre otros productos químicos, son fundamentales para la gasificación. Las plantas de gasificación suelen utilizar vapor y catalizadores para descomponer los hidrocarburos. Los átomos de hidrógeno se emparejan para formar gas hidrógeno, y los átomos de carbono se combinan con el oxígeno en forma de monóxido de carbono. En 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 normalmente requiere temperaturas aún más altas y más energía que los métodos basados ​​en vapor. dijo el primer autor del estudio, Linan Zhou, investigador postdoctoral en el Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP).

Halas, quien dirige LANP, ha trabajado durante años para crear nanopartículas activadas por luz que insertan energía en reacciones químicas con precisión quirúrgica. En 2011, su equipo demostró que podría aumentar la cantidad de electrones de alta energía llamados "portadores calientes" que se crean cuando la luz golpea el metal, y en 2016 dieron a conocer el primero de varios "reactores de antena" que utilizan 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 científico de 2018 de Halas, Zhou y colegas. Zhou dijo que el catalizador de gas de síntesis usa un diseño similar. En cada, una esfera de cobre de unos 5-10 nanómetros de diámetro está salpicada de islas de rutenio. Para los catalizadores de amoniaco, 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 dices a una persona en la industria que tienes un catalizador realmente eficiente, te preguntarán:'¿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 en la superficie que eventualmente los vuelve inútiles.

"No pueden cambiar el catalizador todos los días, "Dijo Zhou." Quieren algo que pueda durar ".

Aislando los sitios activos de rutenio donde el carbono se disocia del hidrógeno, Zhou redujo las posibilidades de que los átomos de carbono reaccionaran entre sí para formar coque y aumentó la probabilidad de que reaccionaran con el oxígeno para formar monóxido de carbono.

"Pero las islas de un solo átomo no son suficientes, ", dijo." Para la estabilidad, necesitas tanto átomos individuales como electrones calientes ".

Zhou dijo que las investigaciones experimentales y teóricas del equipo apuntan a que los portadores calientes alejan el hidrógeno de la superficie del reactor.

"Cuando el hidrógeno sale de la superficie rápidamente, es más probable que se forme hidrógeno molecular, ", dijo." También disminuye la posibilidad de una reacción entre el hidrógeno y el oxígeno, y deja que el oxígeno reaccione con el carbono. Así es como se puede controlar con el electrón caliente para asegurarse de que no forme coque ".

Halas dijo que la investigación podría allanar el camino "para la sostenibilidad, impulsado por la luz, baja temperatura, reacciones de reformado de metano para la producción de hidrógeno bajo demanda ".

"Más allá del gas de síntesis, el átomo único, El diseño de antena-reactor podría ser útil para diseñar catalizadores energéticamente eficientes para otras aplicaciones, " ella dijo.

La tecnología ha sido licenciada por Syzygy Plasmonics, una startup con sede en Houston cuyos cofundadores incluyen a Halas y al coautor del estudio Peter Nordlander.