In una scoperta che potrebbe trasformare alcuni dei processi di produzione più energivori al mondo, i ricercatori del Laboratorio di nanofotonica della Rice University hanno svelato un nuovo metodo per unire nanomateriali fotonici che catturano la luce e catalizzatori metallici ad alta efficienza.

Ogni anno, i produttori chimici spendono miliardi di dollari in catalizzatori metallici, materiali che stimolano o accelerano le reazioni chimiche. I catalizzatori sono usati per produrre trilioni di dollari di prodotti chimici. Sfortunatamente, la maggior parte dei catalizzatori funziona solo ad alte temperature o ad alta pressione o entrambe. Per esempio, la US Energy Information Agency ha stimato che nel 2010 solo un segmento dell'industria chimica statunitense, produzione di resina plastica, utilizzato quasi 1 quadrilione di unità termiche britanniche di energia, circa la stessa quantità di energia contenuta in 8 miliardi di galloni di benzina.

I ricercatori della nanotecnologia sono da tempo interessati a catturare parte del mercato mondiale della catalisi con materiali fotonici ad alta efficienza energetica, materiali metallici realizzati su misura con precisione atomica per raccogliere energia dalla luce solare. Sfortunatamente, i migliori nanomateriali per raccogliere la luce:oro, argento e alluminio non sono catalizzatori molto buoni, e i migliori catalizzatori:palladio, platino e rodio, non sono in grado di catturare l'energia solare.

Il nuovo catalizzatore, che è descritto in uno studio questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , è l'ultima innovazione di LANP, multidisciplinare, gruppo di ricerca multi-investigatore guidato dalla pioniera della fotonica Naomi Halas. Hala, che dirige anche lo Smalley-Curl Institute di Rice, ha affermato che numerosi studi negli ultimi anni hanno dimostrato che le nanoparticelle "plasmoniche" attivate dalla luce possono essere utilizzate per aumentare la quantità di luce assorbita dalle nanoparticelle scure adiacenti. I plasmoni sono onde di elettroni che si muovono come un fluido sulla superficie di minuscole nanoparticelle metalliche. A seconda della frequenza del loro sciabordio, queste onde plasmoniche possono interagire e raccogliere l'energia dalla luce che passa.

Nell'estate 2015 Halas e il coautore dello studio Peter Nordlander hanno progettato un esperimento per verificare se un'antenna plasmonica potesse essere collegata a una particella del reattore catalitico. Lo studente laureato Dayne Swearer ha lavorato con loro, La scienziata dei materiali di riso Emilie Ringe e altri alla Rice e alla Princeton University per produrre, testare e analizzare le prestazioni del progetto "antenna-reattore".

Swearer ha iniziato sintetizzando cristalli di alluminio di 100 nanometri di diametro che, una volta esposto all'aria, sviluppare un sottile rivestimento di ossido di alluminio da 2 a 4 nanometri. Le particelle ossidate sono state quindi trattate con un sale di palladio per avviare una reazione che ha portato alla formazione di piccole isole di metallo palladio sulla superficie delle particelle ossidate. Il nucleo di alluminio non ossidato funge da antenna plasmonica e le isole di palladio da reattori catalitici.

Swearer ha affermato che l'industria chimica utilizza già materiali di ossido di alluminio punteggiati da isole di palladio per catalizzare le reazioni, ma il palladio in quei materiali deve essere riscaldato ad alte temperature per diventare un catalizzatore efficiente.

"È necessario aggiungere energia per migliorare l'efficienza catalitica, " ha detto. "Anche i nostri catalizzatori hanno bisogno di energia, ma lo attingono direttamente dalla luce e non richiedono riscaldamento aggiuntivo."

Un esempio di un processo in cui potrebbero essere utilizzati i nuovi catalizzatori antenna-reattore è la reazione dell'acetilene con l'idrogeno per produrre etilene, Giuratore ha detto.

L'etilene è la materia prima chimica per la produzione di polietilene, la plastica più comune al mondo, che viene utilizzato in migliaia di prodotti di uso quotidiano. Acetilene, un idrocarburo che si trova spesso nelle materie prime del gas utilizzate negli impianti di polietilene, danneggia i catalizzatori che i produttori utilizzano per convertire l'etilene in polietilene. Per questa ragione, l'acetilene è considerato un "veleno catalizzatore" e deve essere rimosso dalla carica di etilene, spesso con un altro catalizzatore, prima che possa causare danni.

Un modo in cui i produttori rimuovono l'acetilene consiste nell'aggiungere gas idrogeno in presenza di un catalizzatore di palladio per convertire l'acetilene velenoso in etilene, il componente principale necessario per produrre la resina di polietilene. Ma questo processo catalitico produce anche un altro gas, etano, oltre all'etilene. I produttori chimici cercano di adattare il processo per produrre quanto più etilene e meno etano possibile, ma la selettività resta una sfida, Giuratore ha detto.

Come prova di concetto per i nuovi catalizzatori antenna-reattore, giuratore, Halas e colleghi hanno condotto test di conversione dell'acetilene presso LANP e hanno scoperto che i catalizzatori del reattore dell'antenna azionati dalla luce producevano un rapporto di 40 a 1 tra etilene ed etano, un significativo miglioramento della selettività rispetto alla catalisi termica.

Swearer ha affermato che è probabile che il potenziale risparmio energetico e la migliore efficienza dei nuovi catalizzatori catturino l'attenzione dei produttori di sostanze chimiche, anche se i loro impianti non sono attualmente progettati per utilizzare catalizzatori a energia solare.

"L'industria del polietilene produce più di 90 miliardi di dollari di prodotti ogni anno, e i nostri catalizzatori trasformano uno dei veleni del settore in un bene prezioso, " Egli ha detto.

Halas ha affermato di essere molto entusiasta dell'ampio potenziale della tecnologia catalitica antenna-reattore.

"Il design dell'antenna-reattore è modulare, il che significa che possiamo mescolare e abbinare i materiali sia per l'antenna che per il reattore per creare un catalizzatore su misura per una reazione specifica, " ha detto. "A causa di questa flessibilità, ci sono molti, molte applicazioni in cui riteniamo che questa tecnologia potrebbe superare i catalizzatori esistenti".