Pesquisadores da Rice University projetaram um nanomaterial chave ativado por luz para a economia do hidrogênio. Usando apenas matérias-primas baratas, uma equipe do Laboratório de Nanofotônica de Rice, Syzygy Plasmonics Inc. e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente da Universidade de Princeton criou um catalisador escalável que precisa apenas do poder da luz para converter amônia em combustível de hidrogênio de queima limpa.
A pesquisa foi publicada na revista Science.
A pesquisa segue o investimento do governo e da indústria para criar infraestrutura e mercados para combustível de amônia líquida livre de carbono que não contribuirá para o aquecimento do efeito estufa. A amônia líquida é fácil de transportar e contém muita energia, com um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio por molécula. O novo catalisador quebra essas moléculas em gás hidrogênio, um combustível de queima limpa, e gás nitrogênio, o maior componente da atmosfera da Terra. E ao contrário dos catalisadores tradicionais, não requer calor. Em vez disso, ele colhe energia da luz, seja luz solar ou LEDs mesquinhos de energia.
O ritmo das reações químicas geralmente aumenta com a temperatura, e os produtores de produtos químicos capitalizaram isso por mais de um século aplicando calor em escala industrial. A queima de combustíveis fósseis para aumentar a temperatura de grandes recipientes de reação em centenas ou milhares de graus resulta em uma enorme pegada de carbono. Os produtores químicos também gastam bilhões de dólares todos os anos em termocatalisadores – materiais que não reagem, mas aceleram ainda mais as reações sob aquecimento intenso.
“Metais de transição, como o ferro, são termocatalisadores tipicamente ruins”, disse a coautora do estudo Naomi Halas, da Rice. “Este trabalho mostra que eles podem ser fotocatalisadores plasmônicos eficientes. Também demonstra que a fotocatálise pode ser realizada de forma eficiente com fontes de fótons LED de baixo custo”.
“Esta descoberta abre caminho para o hidrogênio sustentável e de baixo custo que pode ser produzido localmente, em vez de em grandes usinas centralizadas”, disse Peter Nordlander, também coautor de Rice.
Os melhores termocatalisadores são feitos de platina e metais preciosos relacionados, como paládio, ródio e rutênio. Halas e Nordlander passaram anos desenvolvendo nanopartículas de metal ativadas por luz (plasmônicas). Os melhores também são normalmente feitos com metais preciosos como prata e ouro.
Após a descoberta em 2011 de partículas plasmônicas que emitem elétrons de alta energia e vida curta chamados “portadores quentes”, eles descobriram em 2016 que geradores de portadores quentes poderiam ser casados com partículas catalíticas para produzir “reatores-antena” híbridos, onde um parte colheu energia da luz e a outra parte usou a energia para conduzir reações químicas com precisão cirúrgica.
Halas, Nordlander, seus alunos e colaboradores trabalharam durante anos para encontrar alternativas de metais não preciosos para as metades de coleta de energia e velocidade de reação dos reatores de antena. O novo estudo é o culminar desse trabalho. Nele, Halas, Nordlander, o ex-aluno de Rice, Hossein Robatjazi, a engenheira e química física de Princeton, Emily Carter, e outros mostram que partículas de reatores de antenas feitas de cobre e ferro são altamente eficientes na conversão de amônia. A peça de cobre das partículas, coletora de energia, captura a energia da luz visível.
“Na ausência de luz, o catalisador de cobre-ferro exibiu uma reatividade cerca de 300 vezes menor do que os catalisadores de cobre-rutênio, o que não é surpreendente, visto que o rutênio é um termocatalisador melhor para esta reação”, disse Robatjazi, Ph.D. ex-aluno do grupo de pesquisa de Halas, que agora é cientista-chefe da Syzygy Plasmonics, com sede em Houston. “Sob iluminação, o cobre-ferro mostrou eficiências e reatividades semelhantes e comparáveis às do cobre-rutênio.
A Syzygy licenciou a tecnologia de reator de antena da Rice, e o estudo incluiu testes em escala maior do catalisador nos reatores alimentados por LED da empresa disponíveis comercialmente. Em testes de laboratório em Rice, os catalisadores de cobre-ferro foram iluminados com lasers. Os testes Syzygy mostraram que os catalisadores mantiveram sua eficiência sob iluminação LED e em uma escala 500 vezes maior do que a configuração do laboratório.
“Este é o primeiro relatório na literatura científica a mostrar que a fotocatálise com LEDs pode produzir quantidades em escala de gramas de gás hidrogênio a partir da amônia”, disse Halas. “Isso abre a porta para substituir totalmente os metais preciosos na fotocatálise plasmônica”.
“Dado o seu potencial para reduzir significativamente as emissões de carbono do setor químico, os fotocatalisadores de reatores de antena plasmônicos merecem um estudo mais aprofundado”, acrescentou Carter. “Esses resultados são um grande motivador. Eles sugerem que é provável que outras combinações de metais abundantes possam ser usadas como catalisadores econômicos para uma ampla gama de reações químicas.”
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