Preiswerter Katalysator nutzt Lichtenergie zur Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff als Kraftstoff
Start-up Syzygy Plasmonics hat die Technologie lizenziert
Forscher der Rice University haben ein wichtiges lichtaktiviertes Nanomaterial für die Wasserstoffwirtschaft entwickelt. Ein Team des Rice Laboratory for Nanophotonics, der Syzygy Plasmonics Inc. und des Andlinger Center for Energy and the Environment der Princeton University hat unter Verwendung kostengünstiger Rohstoffe einen skalierbaren Katalysator entwickelt, der nur die Kraft des Lichts benötigt, um Ammoniak in sauberen Wasserstoff umzuwandeln. Die Forschungsergebnisse sind online in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Die photokatalytische Plattform, die bei Tests von plasmonischen Kupfer-Eisen-Photokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion aus Ammoniak verwendet wird.
Photo by Brandon Martin/Rice University
Die Forschung folgt auf staatliche und industrielle Investitionen zur Schaffung von Infrastrukturen und Märkten für kohlenstofffreien flüssigen Ammoniakkraftstoff, der nicht zur Erwärmung des Klimas beiträgt. Flüssiges Ammoniak ist leicht zu transportieren und enthält mit einem Stickstoff- und drei Wasserstoffatomen pro Molekül eine Menge Energie. Der neue Katalysator spaltet diese Moleküle in Wasserstoffgas, einen sauber brennenden Kraftstoff, und Stickstoffgas, den größten Bestandteil der Erdatmosphäre. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Katalysatoren benötigt er keine Wärme. Stattdessen gewinnt er Energie aus Licht, entweder aus Sonnenlicht oder aus energiesparenden LEDs.
Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen nimmt in der Regel mit der Temperatur zu, und die Chemieproduzenten machen sich dies seit mehr als einem Jahrhundert zunutze, indem sie Wärme im industriellen Maßstab einsetzen. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe, um die Temperatur großer Reaktionsgefäße um Hunderte oder Tausende von Grad zu erhöhen, verursacht einen enormen Kohlenstoff-Fußabdruck. Chemieproduzenten geben außerdem jedes Jahr Milliarden von Dollar für Thermokatalysatoren aus - Materialien, die nicht reagieren, sondern die Reaktionen bei starker Erhitzung weiter beschleunigen.
"Übergangsmetalle wie Eisen sind in der Regel schlechte Thermokatalysatoren", sagte Naomi Halas, Mitautorin der Studie am Rice Institute. "Diese Arbeit zeigt, dass sie effiziente plasmonische Photokatalysatoren sein können. Sie zeigt auch, dass die Photokatalyse mit kostengünstigen LED-Photonenquellen effizient durchgeführt werden kann".
"Diese Entdeckung ebnet den Weg für nachhaltigen, kostengünstigen Wasserstoff, der lokal und nicht in großen zentralen Anlagen produziert werden könnte", so Peter Nordlander, ebenfalls Mitautor von Rice.
Die besten Thermokatalysatoren werden aus Platin und verwandten Edelmetallen wie Palladium, Rhodium und Ruthenium hergestellt. Halas und Nordlander verbrachten Jahre mit der Entwicklung von lichtaktivierten oder plasmonischen Metallnanopartikeln. Die besten von ihnen werden in der Regel ebenfalls aus Edelmetallen wie Silber und Gold hergestellt.
Nach ihrer Entdeckung plasmonischer Teilchen im Jahr 2011, die kurzlebige, hochenergetische Elektronen, so genannte "Hot Carrier", abgeben, entdeckten sie 2016, dass Hot-Carrier-Generatoren mit katalytischen Teilchen kombiniert werden können, um hybride "Antennen-Reaktoren" herzustellen, bei denen ein Teil Energie aus Licht aufnimmt und der andere Teil die Energie nutzt, um chemische Reaktionen mit chirurgischer Präzision zu steuern.
Halas, Nordlander, ihre Studenten und Mitarbeiter haben jahrelang daran gearbeitet, edelmetallfreie Alternativen sowohl für die energiegewinnende als auch für die reaktionsbeschleunigende Hälfte von Antennenreaktoren zu finden. Die neue Studie ist ein Höhepunkt dieser Arbeit. Darin zeigen Halas, Nordlander, der Rice-Absolvent Hossein Robatjazi, die Princeton-Ingenieurin und physikalische Chemikerin Emily Carter und andere, dass Antennenreaktorteilchen aus Kupfer und Eisen bei der Umwandlung von Ammoniak sehr effizient sind. Der kupferne, energieaufnehmende Teil der Partikel fängt Energie aus sichtbarem Licht ein.
"In Abwesenheit von Licht zeigte der Kupfer-Eisen-Katalysator eine etwa 300-mal geringere Reaktivität als Kupfer-Ruthenium-Katalysatoren, was nicht überrascht, da Ruthenium ein besserer Thermokatalysator für diese Reaktion ist", so Robatjazi, ein Doktorand aus Halas' Forschungsgruppe, der jetzt leitender Wissenschaftler bei Syzygy Plasmonics in Houston ist. "Unter Beleuchtung zeigte das Kupfer-Eisen eine ähnliche Effizienz und Reaktivität wie das Kupfer-Ruthenium.
Syzygy hat die Antennenreaktor-Technologie von Rice lizenziert, und die Studie umfasste Tests des Katalysators im Maßstab 1:1 in den kommerziell erhältlichen LED-betriebenen Reaktoren des Unternehmens. Bei den Labortests in Rice waren die Kupfer-Eisen-Katalysatoren mit Lasern beleuchtet worden. Die Syzygy-Tests zeigten, dass die Katalysatoren ihre Effizienz unter LED-Beleuchtung beibehielten, und zwar in einem Maßstab, der 500 Mal größer war als der Laboraufbau.
"Dies ist der erste Bericht in der wissenschaftlichen Literatur, der zeigt, dass durch Photokatalyse mit LEDs Wasserstoffgas aus Ammoniak im Gramm-Maßstab erzeugt werden kann", so Halas. "Dies öffnet die Tür, um Edelmetalle in der plasmonischen Photokatalyse vollständig zu ersetzen."
"Angesichts ihres Potenzials, die Kohlenstoffemissionen des Chemiesektors erheblich zu reduzieren, sind plasmonische Antennen-Reaktor-Photokatalysatoren eine weitere Untersuchung wert", fügte Carter hinzu. "Diese Ergebnisse sind ein großer Ansporn. Sie deuten darauf hin, dass auch andere Kombinationen von häufig vorkommenden Metallen als kostengünstige Katalysatoren für ein breites Spektrum chemischer Reaktionen verwendet werden könnten."
Halas ist Rice's Stanley C. Moore Professor of Electrical and Computer Engineering und Professor für Chemie, Bioengineering, Physik und Astronomie sowie Materialwissenschaft und Nanoengineering. Nordlander ist der Wiess-Lehrstuhl und Professor für Physik und Astronomie an der Rice University sowie Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, Materialwissenschaften und Nanotechnologie. Carter ist Princetons Gerhard R. Andlinger-Professor für Energie und Umwelt am Andlinger Center for Energy and the Environment, leitender strategischer Berater für Nachhaltigkeitswissenschaften am Princeton Plasma Physics Laboratory und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik sowie für angewandte und rechnerische Mathematik. Robatjazi ist außerdem außerordentlicher Professor für Chemie an der Rice University.
Halas und Nordlander sind Mitbegründer von Syzygy und halten eine Kapitalbeteiligung an dem Unternehmen.
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