Фундаментальный прорыв в химии обещает сделать аммиак чистым топливом и в процессе может помочь обезуглерожить всю химическую промышленность. Исследователи из Университета Райса создали небольшое устройство на светодиодах, которое на лету превращает аммиак в водород. В нем используется катализатор, управляемый светом, который так же эффективен, как и дорогие термические катализаторы, которым для работы требуется температура в тысячу градусов, и он сделан из дешевой меди и железа, которых в изобилии. И это только начало технологии, которая может радикально снизить затраты и потребление энергии в промышленной химии.
Водород — очень многообещающее чистое топливо, которое можно сжигать или напрямую преобразовывать в электричество с помощью топливного элемента. Однако с ним и дорого, и сложно обращаться, поскольку это сверхлегкий газ, который необходимо сжать до 700 атмосфер или подвергнуть криогенному охлаждению в пределах видимости абсолютного нуля, чтобы достичь жидкого состояния.
Аммиак , как известно, является лучшим носителем водорода, чем сам газообразный водород; каждый из его атомов азота связывает три атома водорода, и, хотя он едкий и чрезвычайно опасен в высоких концентрациях, он является стабильной жидкостью при атмосферных температурах и давлениях, а его широкое использование во многих отраслях промышленности означает, что люди имеют большой опыт безопасного обращения с ним в широком диапазоне температур. диапазон условий.
Аммиак может переносить водород исключительно хорошо, но если вы хотите использовать этот водород, вам нужно «взломать» его, чтобы вывести водород и выпустить безвредный азот обратно в атмосферу. Это было сложно по двум основным причинам: во-первых, реакция является эндотермической, поэтому в большинстве случаев крекинг аммиака осуществляется на крупных установках, работающих при температуре не менее 650–1000 ° C (1200–1800 ° F). Во-вторых, термические катализаторы, необходимые для операций крекинга, обычно представляют собой металлы платиновой группы, такие как рутений, — относительно редкие и дорогие.
Поскольку движение зеленого водорода, собирающего пар, является ключевой опорой перехода к чистой энергии, вы можете понять, почему команда Университета Райса взволнована открытием компактного и эффективного способа катализировать эту реакцию крекинга при комнатной температуре, используя только медь.
Все сводится к фотокатализаторам; эта команда работает более 30 лет над разработкой своих плазмонных фотокатализаторов «антенн-реактор» . Это наночастицы катализатора, усеянные небольшими комками материала «антенны», предназначенного для увеличения способности катализатора поглощать свет. Правильно настроенные частицы антенны-реактора поглощают энергию окружающего света — будь то солнечный свет или свет низкоэнергетических светодиодов — и выбрасывают короткоживущие «горячие электроны» с энергией, достаточной для запуска эффективной химической реакции даже при температуре окружающей среды.
Антенно-реакторные фотокатализаторы могут быть разработаны для всех видов реакций. Это та же команда и, по сути, та же основная идея, стоящая за катализатором преобразования сероводорода в водород, работающим на свету , о которой мы писали, например, несколько недель назад. В ней использовался диоксид кремния в качестве «реакторного» катализатора с крошечными частицами золота в качестве «антенны», притягивающей энергию света.
Этот фотокатализатор, расщепляющий аммиак, использует железо в качестве реактора и медь в качестве светособирающей антенны — оба эти металла являются дешевыми и широко распространенными, в отличие от типичных медно-рутениевых термических катализаторов, используемых сегодня.
В лабораторных испытаниях, по словам выпускника Райса и соавтора исследования Хоссейна Робатжази, «при освещении медь-железо показало эффективность и реактивность, которые были аналогичны и сравнимы с таковыми у медь-рутения».
Первоначальные испытания проводились с использованием света, испускаемого лазерами, в крошечной экспериментальной установке. Но соавтор исследования Наоми Халас также является соучредителем Syzygy Plasmonics , хорошо финансируемой компании, созданной для коммерциализации работы команды, смогла лицензировать этот конкретный катализатор и построить испытательную установку примерно в 500 раз больше. Катализатор остался таким же эффективным.
«Это первый отчет в научной литературе, показывающий, что фотокатализ с помощью светодиодов может производить граммовые количества газообразного водорода из аммиака. Это открывает возможность полностью заменить драгоценные металлы в плазмонном фотокатализе».
Итак, возвращаясь к тому, почему мы должны заботиться обо всем этом — медно-железный фотокатализатор должен значительно упростить и удешевить извлечение водорода из аммиака. Но он также будет делать это без необходимости тепла, что также будет экономиться энергия и выбросы.
Возможно, самое главное, похоже, что это приведет к созданию устройства для крекинга аммиака, которое будет небольшим, надежным, легким и холодным, а не работающим при сотнях градусов. Что-то, что не требует полномасштабного объекта для работы.
Возможно, вы могли бы установить их на электрический грузовой корабль, превращая легко хранимый аммиак в легко используемый водород прямо там, где это необходимо. Это само по себе может быть абсолютно революционным, радикально расширив спектр экологически чистых грузовых и пассажирских перевозок.
Возможно, эта концепция может оказаться достаточно компактной и легкой, чтобы быть применимой в авиации, где плотность энергии водорода, хранящегося в аммиаке, может открыть показатели дальности полета, которые в настоящее время недостижимы без реактивного топлива. Возможно, в конечном итоге технология станет достаточно маленькой, чтобы ее можно было реализовать в электромобиль, который можно заправить аммиаком на заправочной станции.
Это очень захватывающая технология с огромным потенциалом в целом ряде отраслей и в качестве вклада в декарбонизацию. Узнайте больше в видео ниже.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com