光动力催化剂可能是氢经济的关键

莱斯大学的研究人员为氢经济设计了一种关键的光激活纳米材料。赖斯纳米光子学实验室、SyzygyPlasmonicsInc.和普林斯顿大学安德林格能源与环境中心的团队仅使用廉价的原材料，创造了一种可扩展的催化剂，它只需要光的能量就可以将氨转化为清洁燃烧的氢燃料。

该研究今天在线发表在《科学》杂志上。

该研究遵循政府和行业投资，为不会导致温室效应的无碳液氨燃料创建基础设施和市场。液氨易于运输并包含大量能量，每个分子具有一个氮原子和三个氢原子。新的催化剂将这些分子分解成氢气、一种清洁燃烧的燃料和氮气，这是地球大气层的最大成分。而且与传统催化剂不同，它不需要加热。相反，它从光中获取能量，无论是太阳光还是能量吝啬的LED。

化学反应的速度通常随着温度的升高而增加，一个多世纪以来，化学品生产商通过在工业规模上应用热量来利用这一点。燃烧化石燃料将大型反应容器的温度提高数百或数千度会产生巨大的碳足迹。化学品生产商每年还会在热催化剂上花费数十亿美元——这种材料不会发生反应，但在高温下会进一步加速反应。

“像铁这样的过渡金属通常是不良的热催化剂，”该研究的合著者Rice的NaomiHalas说。“这项工作表明它们可以成为高效的等离子体光催化剂。它还表明可以使用廉价的LED光子源有效地进行光催化。”

“这一发现为可持续、低成本的氢气铺平了道路，这种氢气可以在本地生产，而不是在大规模的集中式工厂中生产，”莱斯大学的合著者彼得·诺德兰德说。

最好的热催化剂由铂和相关贵金属(如钯、铑和钌)制成。Halas和Nordlander花了数年时间开发光激活(等离子体)金属纳米粒子。其中最好的通常也是用银和金等贵金属制成的。

继2011年发现可释放短寿命、高能电子(称为“热载流子”)的等离子体粒子之后，他们在2016年发现热载流子发生器可以与催化粒子结合以产生混合“天线反应器”，其中一个一部分从光中获取能量，另一部分利用能量以外科手术般的精度驱动化学反应。

Halas、Nordlander、他们的学生和合作者多年来一直致力于为天线反应堆的能量收集和反应加速部分寻找非贵金属替代品。这项新研究是这项工作的结晶。在其中，Halas、Nordlander、莱斯校友HosseinRobatjazi、普林斯顿工程师和物理化学家EmilyCarter以及其他人表明，由铜和铁制成的天线反应器颗粒在转化氨方面非常有效。颗粒的铜质能量收集片从可见光中捕获能量。

“在没有光的情况下，铜-铁催化剂的反应活性比铜-钌催化剂低约300倍，这并不奇怪，因为钌是该反应的更好的热催化剂，”博士Robatjazi说。Halas研究小组的校友，现在是总部位于休斯顿的SyzygyPlasmonics的首席科学家。“在光照下，铜-铁显示出与铜-钌相似且相当的效率和反应性。

Syzygy已获得Rice的天线反应器技术许可，该研究包括在该公司的商用LED驱动反应器中对催化剂进行放大测试。在赖斯的实验室测试中，铜铁催化剂被激光照射。Syzygy测试表明，催化剂在LED照明下保持其效率，并且规模比实验室设置大500倍。

用于氨制氢的铜-铁等离子体光催化剂测试的光催化平台。图片来源：BrandonMartin/莱斯大学

“这是科学文献中的第一份报告，表明LED光催化可以从氨中产生克级量的氢气，”Halas说。“这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。”

“鉴于它们在显着减少化学部门碳排放方面的潜力，等离子体天线反应器光催化剂值得进一步研究，”卡特补充道。“这些结果是一个很大的动力。他们表明，丰富金属的其他组合很可能可以用作范围广泛的化学反应的具有成本效益的催化剂。”