Linan Zhou, chercheur postdoctoral au Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice, conçu un photocatalyseur cuivre-ruthénium pour fabriquer du gaz de synthèse via une basse énergie, basse température, processus de reformage à sec. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les ingénieurs de l'Université Rice ont créé une nanoparticule alimentée par la lumière qui pourrait réduire l'empreinte carbone d'un segment majeur de l'industrie chimique.
La particule, de minuscules sphères de cuivre parsemées d'atomes isolés de ruthénium, est l'élément clé d'un processus vert de fabrication de gaz de synthèse, ou gaz de synthèse, une matière première chimique précieuse qui est utilisée pour fabriquer des carburants, engrais et de nombreux autres produits. Des chercheurs de Rice, UCLA et l'Université de Californie, Santa Barbara (UCSB), décrire la basse énergie, processus de production de gaz de synthèse à basse température cette semaine à Nature Energy.
"Les syngas peuvent être réalisés de plusieurs manières, mais l'un d'eux, reformage à sec du méthane, est de plus en plus important car les intrants chimiques sont le méthane et le dioxyde de carbone, deux gaz à effet de serre puissants et problématiques, " a déclaré la chimiste et ingénieure de Rice Naomi Halas, un auteur co-correspondant sur le papier.
Le gaz de synthèse est un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène gazeux qui peut être fabriqué à partir de charbon, biomasse, gaz naturel et d'autres sources. Il est produit dans des centaines d'usines de gazéification dans le monde et est utilisé pour fabriquer des carburants et des produits chimiques d'une valeur de plus de 46 milliards de dollars par an, selon une analyse de 2017 de BCC Research.
Catalyseurs, matériaux qui stimulent les réactions entre d'autres produits chimiques, sont critiques pour la gazéification. Les usines de gazéification utilisent généralement de la vapeur et des catalyseurs pour séparer les hydrocarbures. Les atomes d'hydrogène s'apparient pour former de l'hydrogène gazeux, et les atomes de carbone se combinent avec l'oxygène sous forme de monoxyde de carbone. En reformage à sec, les atomes d'oxygène proviennent du dioxyde de carbone plutôt que de la vapeur. Mais le reformage à sec n'a pas été attrayant pour l'industrie car il nécessite généralement des températures encore plus élevées et plus d'énergie que les méthodes à base de vapeur, a déclaré le premier auteur de l'étude, Linan Zhou, chercheur postdoctoral au Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP).
Halas, qui dirige le LANP, a travaillé pendant des années pour créer des nanoparticules activées par la lumière qui insèrent de l'énergie dans des réactions chimiques avec une précision chirurgicale. En 2011, son équipe a montré qu'il pouvait augmenter la quantité de courte durée, des électrons de haute énergie appelés « porteurs chauds » qui sont créés lorsque la lumière frappe le métal, et en 2016, ils ont dévoilé le premier de plusieurs « réacteurs à antenne » qui utilisent des porteurs chauds pour entraîner la catalyse.
Un de ceux-là, un réacteur d'antenne en cuivre et ruthénium pour fabriquer de l'hydrogène à partir d'ammoniac, a fait l'objet d'un article scientifique de 2018 par Halas, Zhou et ses collègues. Zhou a déclaré que le catalyseur de gaz de synthèse utilise une conception similaire. Dans chaque, une sphère de cuivre d'environ 5 à 10 nanomètres de diamètre est parsemée d'îlots de ruthénium. Pour les catalyseurs à l'ammoniac, chaque île contenait quelques dizaines d'atomes de ruthénium, mais Zhou a dû les réduire à un seul atome pour le catalyseur de reformage à sec.
"Une efficacité élevée est importante pour cette réaction, mais la stabilité est encore plus importante, " a dit Zhou. " Si vous dites à une personne dans l'industrie que vous avez un catalyseur vraiment efficace, elle va demander, 'Combien de temps cela peut-il durer ?'"
Zhou a dit que la question est importante pour les producteurs, car la plupart des catalyseurs de gazéification sont sujets à la "cokéfaction, " une accumulation de carbone à la surface qui les rend finalement inutilisables.
Les chercheurs de l'Université Rice ont renforcé la stabilité de leur faible consommation d'énergie, photocatalyseurs de gaz de synthèse cuivre-ruthénium en réduisant les sites actifs à des atomes uniques de ruthénium (bleu). Crédit :John Mark Martirez/UCLA
"Ils ne peuvent pas changer le catalyseur tous les jours, " a dit Zhou. " Ils veulent quelque chose qui peut durer. "
En isolant les sites actifs du ruthénium où le carbone est dissocié de l'hydrogène, Zhou a réduit les chances que les atomes de carbone réagissent les uns avec les autres pour former du coke et a augmenté la probabilité qu'ils réagissent avec l'oxygène pour former du monoxyde de carbone.
"Mais les îles à un seul atome ne suffisent pas, " dit-il. " Pour la stabilité, vous avez besoin à la fois d'atomes simples et d'électrons chauds."
Zhou a déclaré que les recherches expérimentales et théoriques de l'équipe indiquent que des porteurs chauds éloignent l'hydrogène de la surface du réacteur.
"Lorsque l'hydrogène quitte la surface rapidement, il est plus susceptible de former de l'hydrogène moléculaire, " Il a dit. " Cela diminue également la possibilité d'une réaction entre l'hydrogène et l'oxygène, et laisse l'oxygène réagir avec le carbone. C'est ainsi que vous pouvez contrôler avec l'électron chaud pour vous assurer qu'il ne forme pas de coke."
Halas a déclaré que la recherche pourrait ouvrir la voie « à des alimenté par la lumière, basse température, réactions de reformage du méthane pour la production d'hydrogène à la demande."
« Au-delà des gaz de synthèse, l'atome unique, la conception d'antenne-réacteur pourrait être utile dans la conception de catalyseurs économes en énergie pour d'autres applications, " elle a dit.
La technologie a été autorisée par Syzygy Plasmonics, une startup basée à Houston dont les co-fondateurs incluent Halas et le co-auteur de l'étude Peter Nordlander.
