TECNOLOGÍA. Fotocatalizador revolucionario es una gran noticia para el hidrógeno y el amoníaco verdes

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Los fotorreactores alimentados por LED de Syzygy y los fotocatalizadores de nanoingeniería extraordinariamente efectivos de la Universidad de Rice prometen una revolución ambientalmente crítica en la química industrial. Universidad de Rice

Un avance fundamental en la química promete desbloquear el amoníaco como combustible limpio y podría ayudar a descarbonizar toda la industria química en el proceso. 

30 noviembre 2022.- Investigadores de la Universidad de Rice han creado un pequeño dispositivo alimentado por LED que convierte el amoníaco en hidrógeno sobre la marcha. Utiliza un catalizador impulsado por la luz que es tan eficiente como los costosos catalizadores térmicos que necesitan temperaturas de mil grados para funcionar, y está hecho de cobre y hierro baratos y abundantes. Y es solo el comienzo de una tecnología que podría reducir radicalmente los costes y el uso de energía en la química industrial.

El hidrógeno es un combustible limpio muy prometedor que se puede quemar o convertir directamente en electricidad a través de una celda de combustible. Sin embargo, es costoso y difícil de manejar, ya que es un gas súper liviano que debe comprimirse a 700 atmósferas, o bien enfriarse criogénicamente a la vista del cero absoluto para alcanzar su estado líquido.

Se sabe que el amoníaco es un mejor portador de hidrógeno que el propio gas de hidrógeno; cada uno de sus átomos de nitrógeno se une a tres átomos de hidrógeno, y aunque es cáustico y extremadamente peligroso en altas concentraciones, es un líquido estable a temperaturas y presiones atmosféricas, y su uso generalizado en muchas industrias significa que las personas tienen mucha experiencia manejándolo de manera segura bajo una amplia gama de condiciones.

El amoníaco puede transportar hidrógeno excepcionalmente bien, pero si desea usar ese hidrógeno, debe "descifrarlo" para sacar el hidrógeno y liberar el nitrógeno inofensivo nuevamente a la atmósfera. Esto ha sido difícil por dos razones principales: en primer lugar, la reacción es endotérmica, por lo que la mayor parte del craqueo de amoníaco se realiza en grandes instalaciones que operan a temperaturas de al menos 650-1000 °C (1200-1800 °F). En segundo lugar, los catalizadores térmicos necesarios para las operaciones de craqueo suelen ser metales del grupo del platino, como el rutenio, relativamente escasos y caros.

Con el movimiento del hidrógeno verde cobrando fuerza como un pilar clave de la transición a la energía limpia, puede ver por qué el equipo de la Universidad de Rice está emocionado de haber descubierto una forma compacta y eficiente de catalizar esta reacción de craqueo a temperatura ambiente, utilizando únicamente cobre y hierro.

Los fotocatalizadores del "reactor de antena" del equipo recolectan luz a través de pequeñas partículas de "antena" incrustadas en catalizadores de "reactor", que les dan la energía necesaria para catalizar varias reacciones químicas. Plasmónica Syzygy

Se trata de fotocatalíticos. Este equipo lleva más de 30 años trabajando en el desarrollo de sus fotocatalizadores plasmónicos "antena-reactor" . Estas son nanopartículas de un catalizador, salpicadas de pequeños grumos de un material de "antena" diseñado para aumentar la capacidad del catalizador para absorber la luz. Con el ajuste adecuado, estas partículas del reactor de antena toman energía de la luz ambiental, ya sea luz solar o luz de LED de bajo consumo, y expulsan "electrones calientes" de corta duración con suficiente energía para iniciar una reacción química eficiente incluso a temperatura ambiente. 

Los fotocatalizadores de reactores de antena se pueden diseñar para todo tipo de reacciones. Este es el mismo equipo, y esencialmente la misma idea subyacente, detrás del catalizador de sulfuro de hidrógeno a hidrógeno alimentado por luz sobre el que escribimos hace unas semanas, por ejemplo. Ese usó dióxido de silicio como el catalizador del "reactor", con pequeñas partículas de oro como la "antena" que extrae energía de la luz.

Este fotocatalizador de división de amoníaco utiliza hierro como reactor y cobre como antena colectora de luz, ambos metales baratos y abundantes, a diferencia de los típicos catalizadores térmicos de cobre y rutenio que se utilizan en la actualidad. En las pruebas de laboratorio, "bajo iluminación, el cobre-hierro mostró eficiencias y reactividades similares y comparables con las del cobre-rutenio".

La pequeña celda alimentada por láser utilizada en las pruebas de laboratorio iniciales (izquierda) frente al equipo de prueba mucho más grande alimentado por láser en Syzygy. Plasmónica Syzygy

Las pruebas iniciales se realizaron utilizando luz suministrada por láseres, en una pequeña instalación experimental. Pero la coautora del estudio, Naomi Halas, también es cofundadora de Syzygy Plasmonics , una empresa creada para comercializar el trabajo del equipo de Rice, y Syzygy pudo obtener la licencia de este catalizador en particular y construir un equipo de prueba unas 500 veces más grande. usando iluminación LED eficiente en lugar de láseres. El catalizador se mantuvo igual de eficiente.

Este es el primer informe en la literatura científica que muestra que la fotocatálisis con LED puede producir cantidades de gas hidrógeno a partir de amoníaco en escala de gramos. Esto abre la puerta para reemplazar por completo los metales preciosos en la fotocatálisis plasmónica.

El fotocatalizador de cobre y hierro debería hacer que sea mucho más barato y fácil extraer hidrógeno del amoníaco. Pero también lo hará sin necesidad de calor, por lo que también se ahorrará energía y emisiones.

El reactor fotocatalítico Rigel de Syzygy tiene aproximadamente el tamaño de una lavadora (derecha) pero se puede implementar en bancos (izquierda). Plasmónica Syzygy

Tal vez podría colocar un banco de estos en un buque de carga eléctrico, convirtiendo el amoníaco fácilmente almacenado en hidrógeno de fácil uso justo donde se necesita. Eso en sí mismo podría ser absolutamente revolucionario, impulsando radicalmente la gama de envíos limpios de carga y pasajeros.

Tal vez el concepto podría resultar lo suficientemente pequeño y liviano para ser relevante en la aviación, donde la densidad de energía del hidrógeno almacenado en amoníaco podría abrir cifras de rango que actualmente están fuera de alcance sin combustible para aviones. Quizás eventualmente sea lo suficientemente pequeño como para pegarse en un automóvil eléctrico que pueda llenar con amoníaco en una estación de servicio.


Fuente: Universidad Rice

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