Como producto energético de combustión limpia, potente y versátil, el hidrógeno puede desempeñar un papel importante en la transición hacia un ecosistema energético sostenible. Sin embargo, los procesos químicos responsables de más de la mitad de la producción mundial actual de hidrógeno son una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero.
Investigadores de la Universidad Rice han desarrollado un catalizador que puede hacer que el reformado de metano con vapor (SMR) esté completamente libre de emisiones mediante el uso de luz en lugar de calor para impulsar la reacción. Además, la investigación puede resultar útil en general para extender la vida útil de los catalizadores, mejorar la eficiencia y reducir los costos de varios procesos industriales plagados de coquización, una acumulación de carbono que puede desactivar los catalizadores.
El nuevo fotocatalizador de cobre y rodio tiene un diseño de antena-reactor que, cuando se expone a una longitud de onda de luz específica, descompone el metano y el vapor de agua en hidrógeno y monóxido de carbono (una valiosa materia prima para la industria química que no es un gas de efecto invernadero) sin calefacción exterior.
“Este es uno de nuestros resultados más impactantes hasta la fecha, porque ofrece una alternativa mejorada a posiblemente la reacción química más importante para la sociedad moderna”, dijo Peter Nordlander, presidente de Rice’s Wisconsin, profesor de física y astronomía y profesor de ingeniería eléctrica. Ingeniería Informática y Ciencia de los Materiales y Nano Ingeniería. “Hemos desarrollado una forma completamente nueva y mucho más sostenible de hacer SMR”.
Nordlander y Naomi Halas, profesores de la Universidad Rice, y Stanley C. Moore, profesor de ingeniería eléctrica e informática, es el autor correspondiente de un artículo sobre la investigación publicado en Nature Catalysis.
La nueva vía de reacción SMR explota un descubrimiento de 2011 de los laboratorios Halas y Nordlander de Rice de que los plasmones (oscilaciones colectivas de electrones cuando las nanopartículas metálicas se exponen a la luz) pueden emitir “portadores calientes”, o electrones y agujeros de alta energía. Se puede utilizar para impulsar reacciones químicas.
“Hacemos fotoquímica plasmónica (los plasmones son realmente nuestra clave aquí) porque los plasmones son absorbentes de luz realmente eficientes y pueden producir portadores muy fuertes que pueden realizar la química que necesitamos de manera mucho más eficiente que la termocatálisis convencional”, dijo Yigao Yuan, A. El estudiante de doctorado de Rice es el primer autor del estudio.
El nuevo sistema catalítico utiliza nanopartículas de cobre como antena de recolección de energía. Sin embargo, dado que la superficie plasmónica de las nanopartículas de cobre no se une bien al metano, se pulverizaron átomos y grupos de rodio como sitios del reactor. Las motas de rodio unen moléculas de agua y metano a la superficie plasmónica, aprovechando la energía caliente del portador para alimentar la reacción SMR.
“Probamos muchos sistemas catalíticos, pero éste funcionó mejor”, dijo Yuan.
La investigación también muestra que la tecnología de horno de antena puede superar la desactivación del catalizador debido a la oxidación y la coquización mediante el empleo de portadores calientes para eliminar especies de oxígeno y depósitos de carbono, regenerando eficazmente el catalizador con luz. Nordlander dijo que la clave de este “efecto notable fue la inteligente colocación de rodio”, que se extiende de forma fina y desigual sobre la superficie de las nanopartículas.
Actualmente, el hidrógeno se produce mayoritariamente en grandes instalaciones centralizadas, lo que requiere transportar el gas hasta su punto de uso. Por el contrario, los SMR de energía ligera permiten la generación de hidrógeno bajo demanda, una ventaja clave para su uso en aplicaciones relacionadas con la movilidad, como estaciones de servicio de hidrógeno o incluso vehículos.
“Esta investigación demuestra el potencial de la fotoquímica innovadora para rediseñar procesos industriales críticos, acercándonos a un futuro energético ambientalmente sostenible”, dijo Halas.
Investigación de Robert A. contó con el apoyo de la Welch Foundation (C-1220, C-1222) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-15-1-0022). La Autoridad de Equipos Compartidos de Rice proporcionó información valiosa y apoyo en el análisis de datos.