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 de productos químicos gastan miles de millones de dólares en catalizadores metálicos, materiales que estimulan o aceleran reacciones químicas. Los catalizadores se utilizan para producir productos químicos por valor de billones de dólares. Desafortunadamente, la mayoría de los catalizadores solo funcionan a altas temperaturas o alta presión o ambas. Por ejemplo, la Agencia de Información Energética de EE. UU. estimó que en 2010, solo un segmento de la industria química de EE. UU., producción de resina plástica, utilizó casi 1 billón de unidades térmicas británicas de energía, aproximadamente la misma cantidad de energía contenida en 8 mil millones de galones de gasolina.

Los investigadores de nanotecnología han estado interesados ​​durante mucho tiempo en capturar parte del mercado mundial de catálisis con materiales fotónicos energéticamente eficientes. 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 deficientes para capturar la energía solar.

El nuevo catalizador, que se describe en un estudio de esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , es la última innovación de LANP, un multidisciplinario, grupo de investigación de múltiples investigadores encabezado por la pionera de la fotónica Naomi Halas. Halas, quien también dirige el Instituto Smalley-Curl de Rice, dijo que varios estudios en los últimos años han demostrado que las nanopartículas "plasmónicas" activadas por la luz pueden usarse 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 diminutas nanopartículas metálicas. Dependiendo de la frecuencia de su chapoteo, estas ondas plasmónicas pueden interactuar y recolectar la energía de la luz que pasa.

En 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 de un reactor catalítico. La estudiante de posgrado Dayne Swearer trabajó con ellos, La científica de materiales de arroz Emilie Ringe y otros en Rice y la Universidad de Princeton para producir, probar y analizar el rendimiento del diseño de "antena-reactor".

Swearer comenzó sintetizando cristales de aluminio de 100 nanómetros de diámetro que, una vez expuesto al aire, desarrollar una fina capa de óxido de aluminio de 2 a 4 nanómetros de espesor. Las partículas oxidadas se trataron luego con una sal de paladio para iniciar una reacción que dio como resultado la formación de pequeñas islas de metal paladio en la superficie de las partículas oxidadas. El núcleo de aluminio sin oxidar 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 eficaz.

"Necesita agregar energía para mejorar la eficiencia catalítica, ", dijo." Nuestros catalizadores también necesitan energía, pero lo extraen directamente de la luz y no requieren calentamiento adicional ".

Un ejemplo de un proceso en el que se podrían utilizar los nuevos catalizadores de reactor de antena es para hacer reaccionar acetileno con hidrógeno para producir etileno, Swearer dijo.

El etileno es la materia prima química para fabricar polietileno, el plástico más común del mundo, que se utiliza en miles de productos cotidianos. Acetileno, un hidrocarburo que se encuentra a menudo en las materias primas de gas que se utilizan en las plantas de polietileno, Daña los catalizadores que utilizan los productores para convertir etileno en polietileno. Por esta razón, El acetileno se considera un "veneno del 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 agregar 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, además de etileno. Los productores de productos químicos intentan adaptar el proceso para producir la mayor cantidad de etileno y la menor cantidad de etano posible, pero la selectividad sigue siendo un desafío, Swearer dijo.

Como prueba de concepto para los nuevos catalizadores de reactor de antena, Sumiso, Halas y sus colegas realizaron pruebas de conversión de acetileno en LANP y encontraron que los catalizadores de reactor de antena impulsados ​​por luz producían una proporción de 40 a 1 de etileno a etano, una mejora significativa en la selectividad sobre la catálisis térmica.

Swearer dijo que es probable que los posibles ahorros 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 utilizar catalizadores alimentados por 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 bien valioso, " él dijo.

Halas dijo que está muy entusiasmada con el amplio potencial de la tecnología catalítica de reactor de antena.

"El diseño de la antena-reactor es modular, lo que significa que podemos mezclar y combinar los materiales tanto para la antena como para el reactor para crear un catalizador personalizado para una reacción específica, ", dijo." Debido a esta flexibilidad, Hay muchos, muchas aplicaciones en las que creemos que esta tecnología podría superar a los catalizadores existentes ".