Les catalyseurs plasmoniques antenne-réacteur de l'Université Rice combinent des nanomatériaux récupérateurs de lumière avec des catalyseurs métalliques hautement efficaces. Dans cette image, des "îlots" de palladium réactif parsèment la surface d'oxyde d'aluminium d'un cristal d'aluminium sous-jacent, qui sert d'antenne photonique pour capter la lumière et activer les îlots catalytiques. Crédit : D. Swearer/Université Rice
Dans une découverte qui pourrait transformer certains des processus de fabrication les plus énergivores au monde, des chercheurs du Laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice ont dévoilé une nouvelle méthode pour unir des nanomatériaux photoniques captant la lumière et des catalyseurs métalliques à haute efficacité.
Chaque année, les producteurs de produits chimiques dépensent des milliards de dollars en catalyseurs métalliques, matériaux qui stimulent ou accélèrent les réactions chimiques. Les catalyseurs sont utilisés pour produire des milliers de milliards de dollars de produits chimiques. Malheureusement, la plupart des catalyseurs ne fonctionnent qu'à haute température ou haute pression ou les deux. Par exemple, l'Agence américaine d'information sur l'énergie a estimé qu'en 2010, un seul segment de l'industrie chimique américaine, production de résine plastique, utilisé près de 1 quadrillion d'unités thermiques britanniques d'énergie, environ la même quantité d'énergie contenue dans 8 milliards de gallons d'essence.
Les chercheurs en nanotechnologie s'intéressent depuis longtemps à la conquête d'une partie du marché mondial de la catalyse avec des matériaux photoniques à haut rendement énergétique, des matériaux métalliques fabriqués sur mesure avec une précision atomique pour récupérer l'énergie de la lumière du soleil. Malheureusement, les meilleurs nanomatériaux pour récolter la lumière :l'or, l'argent et l'aluminium ne sont pas de très bons catalyseurs, et les meilleurs catalyseurs :palladium, le platine et le rhodium—sont pauvres pour capter l'énergie solaire.
Le nouveau catalyseur, qui est décrit dans une étude cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , est la dernière innovation de LANP, une pluridisciplinarité, groupe de recherche multi-investigateur dirigé par la pionnière de la photonique Naomi Halas. Halas, qui dirige également le Rice's Smalley-Curl Institute, a déclaré qu'un certain nombre d'études au cours des dernières années ont montré que les nanoparticules "plasmoniques" activées par la lumière peuvent être utilisées pour augmenter la quantité de lumière absorbée par les nanoparticules sombres adjacentes. Les plasmons sont des vagues d'électrons qui jaillissent comme un fluide à la surface de minuscules nanoparticules métalliques. Selon la fréquence de leur clapotis, ces ondes plasmoniques peuvent interagir avec et récolter l'énergie de la lumière qui passe.
A l'été 2015, Halas et le co-auteur de l'étude Peter Nordlander ont conçu une expérience pour tester si une antenne plasmonique pouvait être attachée à une particule de réacteur catalytique. L'étudiante diplômée Dayne Swearer a travaillé avec eux, La scientifique des matériaux de riz Emilie Ringe et d'autres à Rice et à l'Université de Princeton pour produire, tester et analyser les performances de la conception "antenne-réacteur".
Swearer a commencé par synthétiser des cristaux d'aluminium de 100 nanomètres de diamètre qui, une fois exposé à l'air, développer une fine couche d'oxyde d'aluminium de 2 à 4 nanomètres d'épaisseur. Les particules oxydées ont ensuite été traitées avec un sel de palladium pour initier une réaction qui a entraîné la formation de petits îlots de palladium métallique à la surface des particules oxydées. Le noyau d'aluminium non oxydé sert d'antenne plasmonique et les îlots de palladium de réacteurs catalytiques.
Swearer a déclaré que l'industrie chimique utilise déjà des matériaux d'oxyde d'aluminium parsemés d'îlots de palladium pour catalyser les réactions, mais le palladium dans ces matériaux doit être chauffé à des températures élevées pour devenir un catalyseur efficace.
"Il faut ajouter de l'énergie pour améliorer l'efficacité catalytique, " a-t-il dit. " Nos catalyseurs ont aussi besoin d'énergie, mais ils la tirent directement de la lumière et ne nécessitent aucun chauffage supplémentaire."
Une image composite montre une vue au microscope électronique à transmission à balayage d'une particule de catalyseur d'antenne-réacteur (en haut à gauche) ainsi que des cartes de spectroscopie de perte d'énergie électronique qui décrivent la distribution spatiale des modes plasmoniques individuels autour des îlots de palladium. Ces modes plasmons sont chargés de capturer l'énergie lumineuse et de la transférer aux particules de catalyseur. Crédit : D. Swearer/Université Rice
Un exemple d'un procédé où les nouveaux catalyseurs de réacteur-antenne pourraient être utilisés est la réaction d'acétylène avec de l'hydrogène pour produire de l'éthylène, Jura dit.
L'éthylène est la matière première chimique pour la fabrication du polyéthylène, le plastique le plus répandu au monde, qui est utilisé dans des milliers de produits de tous les jours. Acétylène, un hydrocarbure que l'on trouve souvent dans les matières premières gazeuses utilisées dans les usines de polyéthylène, endommage les catalyseurs que les producteurs utilisent pour convertir l'éthylène en polyéthylène. Pour cette raison, l'acétylène est considéré comme un « poison catalyseur » et doit être retiré de la charge d'alimentation d'éthylène - souvent avec un autre catalyseur - avant qu'il ne puisse causer des dommages.
Une façon pour les producteurs d'éliminer l'acétylène consiste à ajouter de l'hydrogène gazeux en présence d'un catalyseur au palladium pour convertir l'acétylène toxique en éthylène, le principal composant nécessaire à la fabrication de la résine de polyéthylène. Mais ce processus catalytique produit également un autre gaz, éthane, en plus de l'éthylène. Les producteurs de produits chimiques essaient d'adapter le processus pour produire autant d'éthylène et aussi peu d'éthane que possible, mais la sélectivité reste un défi, Jura dit.
Comme preuve de concept pour les nouveaux catalyseurs antenne-réacteur, Jurant, Halas et ses collègues ont mené des tests de conversion de l'acétylène au LANP et ont découvert que les catalyseurs de réacteurs à antennes alimentés par la lumière produisaient un rapport de 40 à 1 entre l'éthylène et l'éthane, une amélioration significative de la sélectivité par rapport à la catalyse thermique.
Swearer a déclaré que les économies d'énergie potentielles et l'amélioration de l'efficacité des nouveaux catalyseurs devraient attirer l'attention des producteurs de produits chimiques, même si leurs usines ne sont actuellement pas conçues pour utiliser des catalyseurs solaires.
« L'industrie du polyéthylène produit plus de 90 milliards de dollars de produits chaque année, et nos catalyseurs transforment l'un des poisons de l'industrie en une marchandise précieuse, " il a dit.
Halas a déclaré qu'elle était très enthousiasmée par le vaste potentiel de la technologie catalytique des antennes-réacteurs.
"La conception antenne-réacteur est modulaire, ce qui signifie que nous pouvons mélanger et assortir les matériaux à la fois pour l'antenne et le réacteur pour créer un catalyseur sur mesure pour une réaction spécifique, " dit-elle. " En raison de cette flexibilité, il y a beaucoup de, de nombreuses applications pour lesquelles nous pensons que cette technologie pourrait surpasser les catalyseurs existants."
