28.11.2022 - Rice University

Un catalyseur peu coûteux utilise l'énergie de la lumière pour transformer l'ammoniac en hydrogène carburant

La start-up Syzygy Plasmonics a acquis une technologie sous licence

Des chercheurs de l'université Rice ont mis au point un nanomatériau activé par la lumière, essentiel pour l'économie de l'hydrogène. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du Laboratory for Nanophotonics de l'université Rice, de Syzygy Plasmonics Inc. et du Andlinger Center for Energy and the Environment de l'université Princeton a créé un catalyseur évolutif qui n'a besoin que de la puissance de la lumière pour convertir l'ammoniac en hydrogène, un combustible propre. Ces recherches sont publiées en ligne dans la revue Science.

Cette recherche fait suite à des investissements du gouvernement et de l'industrie visant à créer des infrastructures et des marchés pour le carburant ammoniac liquide sans carbone qui ne contribuera pas au réchauffement de la planète. L'ammoniac liquide, facile à transporter et très énergétique, contient un atome d'azote et trois atomes d'hydrogène par molécule. Le nouveau catalyseur décompose ces molécules en hydrogène gazeux, un carburant à combustion propre, et en azote gazeux, le principal composant de l'atmosphère terrestre. Et contrairement aux catalyseurs traditionnels, il ne nécessite pas de chaleur. Au lieu de cela, il récupère l'énergie de la lumière, qu'il s'agisse de la lumière du soleil ou de diodes électroluminescentes (LED) peu gourmandes en énergie.

Le rythme des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques en ont tiré parti depuis plus d'un siècle en appliquant la chaleur à l'échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température de grands récipients de réaction de centaines ou de milliers de degrés entraîne une énorme empreinte carbone. Les producteurs de produits chimiques dépensent également des milliards de dollars chaque année pour les thermocatalyseurs - des matériaux qui ne réagissent pas mais accélèrent davantage les réactions sous l'effet d'un chauffage intense.

"Les métaux de transition comme le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs", a déclaré la co-auteure de l'étude, Naomi Halas, du Rice. "Ce travail montre qu'ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Il démontre également que la photocatalyse peut être réalisée efficacement avec des sources de photons LED peu coûteuses."

"Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et peu coûteux qui pourrait être produit localement plutôt que dans des usines centralisées massives", a déclaré Peter Nordlander, également coauteur de Rice.

Les meilleurs thermocatalyseurs sont fabriqués à partir de platine et de métaux précieux apparentés comme le palladium, le rhodium et le ruthénium. Halas et Nordlander ont passé des années à développer des nanoparticules métalliques activées par la lumière, ou plasmoniques. Les meilleures d'entre elles sont aussi généralement fabriquées avec des métaux précieux comme l'argent et l'or.

Après avoir découvert en 2011 des particules plasmoniques qui libèrent des électrons de courte durée et de haute énergie appelés "porteurs chauds", ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds pouvaient être mariés à des particules catalytiques pour produire des "antennes-réacteurs" hybrides, où une partie récoltait l'énergie de la lumière et l'autre partie utilisait cette énergie pour piloter des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.

Halas, Nordlander, leurs étudiants et leurs collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives en métal non précieux pour les moitiés des réacteurs-antennes qui captent l'énergie et accélèrent les réactions. Cette nouvelle étude est l'aboutissement de ces travaux. Halas, Nordlander, Hossein Robatjazi, ancien élève de Rice, Emily Carter, ingénieur et physico-chimiste de Princeton, et d'autres chercheurs montrent que les particules de cuivre et de fer des réacteurs à antenne sont très efficaces pour convertir l'ammoniac. La partie en cuivre des particules, qui capte l'énergie, capte l'énergie de la lumière visible.

"En l'absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer présentait une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n'est pas surprenant étant donné que le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction", a déclaré M. Robatjazi, un ancien étudiant en doctorat du groupe de recherche de M. Halas, aujourd'hui chercheur en chef chez Syzygy Plasmonics, basé à Houston. "Sous illumination, le cuivre-fer a montré des efficacités et des réactivités similaires et comparables à celles du cuivre-ruthénium.

Syzygy a obtenu une licence pour la technologie des réacteurs-antennes de Rice, et l'étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs alimentés par des LED, disponibles dans le commerce. Dans les essais en laboratoire de Rice, les catalyseurs cuivre-fer avaient été éclairés par des lasers. Les tests de Syzygy ont montré que les catalyseurs conservaient leur efficacité sous l'éclairage des LED et à une échelle 500 fois supérieure à celle du laboratoire.

"C'est le premier rapport dans la littérature scientifique qui montre que la photocatalyse avec des LED peut produire des quantités d'hydrogène à l'échelle du gramme à partir d'ammoniac", a déclaré Halas. "Cela ouvre la porte à un remplacement total des métaux précieux dans la photocatalyse plasmonique".

"Compte tenu de leur potentiel pour réduire considérablement les émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs plasmoniques à antenne-réacteur méritent d'être étudiés plus avant", a ajouté Carter. "Ces résultats sont une grande source de motivation. Ils suggèrent qu'il est probable que d'autres combinaisons de métaux abondants pourraient être utilisées comme catalyseurs rentables pour un large éventail de réactions chimiques."

Halas est le professeur Stanley C. Moore de génie électrique et informatique de Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d'astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nordlander est titulaire de la chaire Wiess et professeur de physique et d'astronomie à Rice, et professeur de génie électrique et informatique, et de science des matériaux et de nano-ingénierie. M. Carter est titulaire de la chaire Gerhard R. Andlinger en énergie et environnement au Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement de Princeton, conseiller stratégique principal pour la science de la durabilité au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, et professeur d'ingénierie mécanique et aérospatiale et de mathématiques appliquées et computationnelles. M. Robatjazi est également professeur adjoint de chimie à Rice.

Halas et Nordlander sont les cofondateurs de Syzygy et détiennent une participation dans la société.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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