Gli ingegneri della Rice University hanno creato una nanoparticella alimentata dalla luce che potrebbe ridurre l'impronta di carbonio di un segmento importante dell'industria chimica.

La particella, minuscole sfere di rame punteggiate da singoli atomi di rutenio, è la componente chiave in un processo verde per la produzione di syngas, o gas di sintesi, preziose materie prime chimiche utilizzate per produrre combustibili, fertilizzante e molti altri prodotti. Ricercatori di Riso, UCLA e l'Università della California, Santa Barbara (UCSB), descrivere la bassa energia, processo di produzione di syngas a bassa temperatura questa settimana in Nature Energy.

"Syngas può essere fatto in molti modi, ma uno di quelli, reforming a secco del metano, è sempre più importante perché gli input chimici sono metano e anidride carbonica, due gas serra potenti e problematici, " ha detto il chimico e ingegnere di Rice Naomi Halas, un autore corrispondente sull'articolo.

Il syngas è una miscela di monossido di carbonio e gas idrogeno che può essere ottenuta dal carbone, biomassa, gas naturale e altre fonti. Viene prodotto in centinaia di impianti di gassificazione in tutto il mondo e viene utilizzato per produrre combustibili e prodotti chimici per un valore di oltre 46 miliardi di dollari all'anno, secondo un'analisi del 2017 di BCC Research.

catalizzatori, materiali che stimolano reazioni tra altre sostanze chimiche, sono fondamentali per la gassificazione. Gli impianti di gassificazione in genere utilizzano vapore e catalizzatori per rompere gli idrocarburi. Gli atomi di idrogeno si accoppiano per formare gas idrogeno, e gli atomi di carbonio si combinano con l'ossigeno sotto forma di monossido di carbonio. Nella riformazione a secco, gli atomi di ossigeno provengono dall'anidride carbonica piuttosto che dal vapore. Ma il reforming a secco non è stato attraente per l'industria perché in genere richiede temperature ancora più elevate e più energia rispetto ai metodi a vapore, ha detto il primo autore dello studio Linan Zhou, un ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di Nanofotonica di Rice (LANP).

Hala, chi dirige LANP, lavora da anni per creare nanoparticelle attivate dalla luce che inseriscono energia nelle reazioni chimiche con precisione chirurgica. Nel 2011, la sua squadra ha dimostrato che potrebbe aumentare la quantità di elettroni ad alta energia chiamati "portatori caldi" che si creano quando la luce colpisce il metallo, e nel 2016 hanno svelato il primo di numerosi "reattori antenna" che utilizzano vettori caldi per guidare la catalisi.

Uno di questi, un reattore antenna in rame e rutenio per produrre idrogeno dall'ammoniaca, è stato oggetto di un documento Science 2018 di Halas, Zhou e colleghi. Zhou ha detto che il catalizzatore syngas utilizza un design simile. In ciascun, una sfera di rame di circa 5-10 nanometri di diametro è costellata di isole di rutenio. Per i catalizzatori di ammoniaca, ogni isola conteneva poche decine di atomi di rutenio, ma Zhou ha dovuto ridurli a un singolo atomo per il catalizzatore di riformazione a secco.

"L'alta efficienza è importante per questa reazione, ma la stabilità è ancora più importante, " Ha detto Zhou. "Se dici a una persona nell'industria che hai un catalizzatore davvero efficiente, ti chiederanno, 'Quanto tempo può durare?'"

Zhou ha detto che la domanda è importante per i produttori, perché la maggior parte dei catalizzatori di gassificazione è soggetta a "coking, " un accumulo di carbonio superficiale che alla fine li rende inutili.

"Non possono cambiare il catalizzatore ogni giorno, " Ha detto Zhou. "Vogliono qualcosa che possa durare."

Isolando i siti attivi del rutenio dove il carbonio è dissociato dall'idrogeno, Zhou ha ridotto le possibilità che gli atomi di carbonio reagiscano tra loro per formare coke e ha aumentato la probabilità che reagiscano con l'ossigeno per formare monossido di carbonio.

"Ma le isole di un solo atomo non bastano, " ha detto. "Per la stabilità, hai bisogno sia di singoli atomi che di elettroni caldi."

Zhou ha affermato che le indagini sperimentali e teoriche del team indicano che i vettori caldi allontanano l'idrogeno dalla superficie del reattore.

"Quando l'idrogeno lascia rapidamente la superficie, è più probabile che formi idrogeno molecolare, " ha detto. "Diminuisce anche la possibilità di una reazione tra idrogeno e ossigeno, e lascia che l'ossigeno reagisca con il carbonio. È così che puoi controllare con l'elettrone caldo per assicurarti che non formi coke".

Halas ha affermato che la ricerca potrebbe aprire la strada "a una sostenibilità, guidato dalla luce, bassa temperatura, reazioni di reforming del metano per la produzione di idrogeno su richiesta."

"Oltre i syngas, il singolo atomo, il design dell'antenna-reattore potrebbe essere utile nella progettazione di catalizzatori efficienti dal punto di vista energetico per altre applicazioni, " lei disse.

La tecnologia è stata concessa in licenza da Syzygy Plasmonics, una startup con sede a Houston i cui co-fondatori includono Halas e il coautore dello studio Peter Nordlander.