Исследование опубликовано сегодня онлайн в журнале Наука.

Исследование следует за инвестициями правительства и промышленности в создание инфраструктуры и рынков для безуглеродного жидкого аммиачного топлива, которое не будет способствовать парниковому потеплению. Жидкий аммиак прост в транспортировке и обладает большим количеством энергии, поскольку на молекулу приходится один атом азота и три атома водорода. Новый катализатор расщепляет эти молекулы на газообразный водород, топливо чистого горения, и газообразный азот, самый большой компонент атмосферы Земли. И в отличие от традиционных катализаторов, он не требует нагрева. Вместо этого он собирает энергию из света, будь то солнечный свет или энергосберегающие светодиоды.

Скорость химических реакций обычно увеличивается с повышением температуры, и производители химических веществ извлекают выгоду из этого уже более столетия, применяя тепло в промышленных масштабах. Сжигание ископаемого топлива для повышения температуры больших реакционных емкостей на сотни или тысячи градусов приводит к огромному углеродному следу. Производители химической продукции также тратят миллиарды долларов каждый год на термокатализаторы - материалы, которые не вступают в реакцию, но еще больше ускоряют реакции при интенсивном нагревании.

"Переходные металлы, такие как железо, обычно являются плохими термокатализаторами", - говорит соавтор исследования Наоми Халас из Rice. "Эта работа показывает, что они могут быть эффективными плазмонными фотокатализаторами. Это также демонстрирует, что фотокатализ может быть эффективно проведен с помощью недорогих светодиодных источников фотонов".

"Это открытие прокладывает путь к устойчивому, недорогому водороду, который можно было бы производить локально, а не на крупных централизованных установках", - сказал Питер Нордландер, также соавтор исследования Rice.

Лучшие термокатализаторы изготавливаются из платины и родственных ей драгоценных металлов, таких как палладий, родий и рутений. Халас и Нордландер потратили годы на разработку активируемых светом, или плазмонных, металлических наночастиц. Лучшие из них также обычно изготавливаются из драгоценных металлов, таких как серебро и золото.

После открытия в 2011 году плазмонных частиц, которые испускают короткоживущие электроны высокой энергии, называемые "горячими носителями", в 2016 году они обнаружили, что генераторы горячих носителей могут сочетаться с каталитическими частицами для получения гибридных "антенных реакторов", где одна часть собирает энергию из света, а другая часть использует энергия, необходимая для проведения химических реакций с хирургической точностью.

Халас, Нордландер, их ученики и сотрудники годами работали над поиском альтернатив из недрагоценных металлов как для сбора энергии, так и для ускорения реакции половин антенных реакторов. Новое исследование является кульминацией этой работы. В нем Халас, Нордландер, выпускник Райс Хоссейн Робатджази, инженер из Принстона и физико-химик Эмили Картер и другие показывают, что частицы антенного реактора, изготовленные из меди и железа, очень эффективны при преобразовании аммиака. Медная часть частиц, собирающая энергию, улавливает энергию видимого света.

"В отсутствие света медно-железный катализатор проявлял примерно в 300 раз меньшую реакционную способность, чем медно-рутениевые катализаторы, что неудивительно, учитывая, что рутений является лучшим термокатализатором для этой реакции", - сказал Робатджази, доктор философии, выпускник исследовательской группы Halas, который в настоящее время является главным научным сотрудником Хьюстонского университета. -основанная на сизигии плазмоника. "При освещении медь-железо продемонстрировало эффективность и реакционную способность, которые были подобны и сопоставимы с таковыми у медь-рутения.

Компания Syzygy лицензировала технологию Rice antenna-reactor, и исследование включало масштабные испытания катализатора в коммерчески доступных реакторах компании, работающих на светодиодах. В ходе лабораторных испытаний в Райсе медно-железные катализаторы были освещены лазерами. Сизигические тесты показали, что катализаторы сохраняют свою эффективность при светодиодном освещении и в масштабе, в 500 раз превышающем лабораторные установки.

"Это первое сообщение в научной литературе, показывающее, что фотокатализ с использованием светодиодов может производить газообразный водород в граммах из аммиака", - сказал Халас. "Это открывает возможности для полной замены драгоценных металлов в плазмонном фотокатализе".

"Учитывая их потенциал для значительного сокращения выбросов углерода в химическом секторе, плазмонные антенно-реакторные фотокатализаторы заслуживают дальнейшего изучения", - добавил Картер. "Эти результаты - отличный мотиватор. Они предполагают, что, вероятно, другие комбинации распространенных металлов могут быть использованы в качестве экономически эффективных катализаторов для широкого спектра химических реакций ".

Халас - профессор электротехники и вычислительной техники Стэнли К. Мура в университете Райса, а также профессор химии, биоинженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии. Нордландер является заведующим кафедрой Висса Райса и профессором физики и астрономии, а также профессором электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии. Картер является профессором энергетики и окружающей среды Принстонского университета имени Герхарда Р. Андлингера в Центре энергетики и окружающей среды Андлингера, старшим стратегическим советником по науке об устойчивом развитии в Принстонской лаборатории физики плазмы и профессором механической и аэрокосмической инженерии, а также прикладной и вычислительной математики. Робатджази также является адъюнкт-профессором химии в Райс.

Халас и Нордландер являются соучредителями Syzygy и владеют пакетом акций компании.

Исследование было поддержано Фондом Уэлча (C-1220, C-1222), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-15-1-0022 ), Сизигийная плазмоника, Министерство обороны и Принстонский университет.

В число дополнительных соавторов входят Игао Юань, Цзиньи Чжоу, Аарон Бейлс, Линь Юань, Минхэ Лу и Минхан Лу из Райс, Линан Чжоу из Райс и Южно-Китайского технологического университета, Суман Хативада из Сизигийной плазмоники и Цзюньвэй Лукас Бао из Принстонского и Бостонского колледжей.