Фундаментален пробив в химията обещава да отключи амоняка като чисто гориво и може да помогне за декарбонизирането на цялата химическа индустрия в процеса. Изследователи от университета Райс създадоха малко, захранвано със светодиоди устройство, което превръща амоняка във водород в движение. Той използва задвижван от светлина катализатор, който е също толкова ефективен, колкото скъпите термични катализатори, които се нуждаят от температури от хиляда градуса, за да работят, и е направен от евтини, изобилни мед и желязо. И това е само началото на технология, която може радикално да намали разходите и потреблението на енергия в индустриалната химия.
Водородът е много обещаващо чисто гориво, което може да бъде изгорено или преобразувано директно в електричество чрез горивна клетка. Той обаче е едновременно скъп и труден за работа, тъй като това е супер лек газ, който трябва да бъде компресиран до 700 атмосфери или криогенно охладен в рамките на видимостта на абсолютната нула, за да достигне течното си състояние.
Амонякът е известен като по-добър носител на водород от самия водороден газ; всеки от неговите азотни атоми свързва три водородни атома и макар да е разяждащ и изключително опасен във високи концентрации, той е стабилна течност при атмосферни температури и налягания, а широкото му използване в много индустрии означава, че хората имат богат опит в безопасното боравене с него при широки условия набор от условия.
Амонякът може да пренася водород изключително добре, но ако искате да използвате този водород, трябва да го „разбиете“, за да извадите водорода и да освободите безвредния азот обратно в атмосферата. Това е трудно поради две основни причини: първо, реакцията е ендотермична, така че повечето крекинг на амоняк се извършва в големи съоръжения, работещи при температури от поне 650-1000 °C (1200-1800 °F). Второ, термичните катализатори, необходими за крекинг операциите, обикновено са метали от платиновата група като рутений – сравнително редки и скъпи.
С движението на зеления водород, което набира пара като ключов стълб на прехода към чиста енергия, можете да разберете защо екипът на университета Райс е развълнуван, че е открил компактен и ефикасен начин за катализиране на тази реакция на крекинг при стайна температура, като се използва само мед и желязо.
Syzygy Plasmonics
Свежда се до фотокаталитика; този екип работи повече от 30 години, за да развие своя плазмонни фотокатализатори “антена-реактор”.. Това са наночастици от катализатор, осеяни с малки бучки от “антенен” материал, предназначен да увеличи способността на катализатора да абсорбира светлина. Правилно настроени, тези частици от антена-реактор поемат енергия от околната светлина – било то слънчева светлина или светлина от нискоенергийни светодиоди – и изхвърлят краткотрайни „горещи електрони“ с достатъчно енергия, за да започнат ефективна химическа реакция дори при околни температури .
Антенно-реакторните фотокатализатори могат да бъдат проектирани за всякакви реакции. Това е същият екип и по същество същата основна идея зад захранвания със светлина сероводороден към водороден катализатор, за който писахме преди няколко седмици, например. Този използва силициев диоксид като “реакторен” катализатор, с малки частици злато като “антена”, извличаща енергия от светлината.
Този фотокатализатор за разделяне на амоняк използва желязо като свой реактор и мед като своя светлинна антена – и двете евтини и изобилни метали, за разлика от типичните медно-рутениеви термични катализатори, използвани днес. При лабораторни тестове, според възпитаник на Райс и съавтор на изследването Хосейн Робатязи, “при осветяване медно-желязото показва ефективност и реактивност, които са подобни и сравними с тези на мед-рутений.”
Syzygy Plasmonics
Първоначалните тестове бяха проведени с помощта на светлина, доставяна от лазери, в малка експериментална инсталация. Но съавторът на изследването Наоми Халас също е съосновател на Syzygy Plasmonics, добре финансирана компания, създадена, за да комерсиализира работата на екипа на Райс, и Syzygy успя да лицензира този конкретен катализатор и да изгради тестова платформа около 500 пъти по-голяма, използвайки ефективно LED осветление вместо лазери. Катализаторът остана също толкова ефективен.
„Това е първият доклад в научната литература, който показва, че фотокатализата със светодиоди може да произведе количества водород от амоняк в грамове“, каза Халас. „Това отваря вратата за пълна замяна на благородните метали в плазмоничната фотокатализа.“
И така, връщайки се към това защо трябва да се интересуваме от всичко това, фотокатализаторът мед-желязо трябва да направи много по-евтино и по-лесно извличането на водород от амоняк. Но също така ще го направи, без да се нуждае от топлина, така че ще има и спестена енергия и емисии.
Може би най-важното е, че изглежда, че ще доведе до устройство за разбиване на амоняк, което е малко, надеждно, леко и хладно, вместо да работи при стотици градуси. Нещо, което не се нуждае от пълномащабно съоръжение, за да функционира. Syzygy казва, че неговият първоначален продукт Rigel Photocatlytic Reactor е с размерите на малка перална машина и обработва около тон на ден, в зависимост от конкретната реакция, която изпълнява. Те могат да бъдат подредени; можете да стартирате няколко от тях едновременно, ако имате нужда от по-голяма продукция.
Syzygy Plasmonics
Може би бихте могли да залепите банка от тях на електрически товарен кораб, превръщайки лесно съхранявания амоняк в лесно използваем водород точно там, където е необходим. Това само по себе си може да бъде абсолютно революционно, като радикално увеличи гамата от чисти товарни и пътнически превози.
Може би концепцията може да се окаже достатъчно малка и лека, за да бъде приложима в авиацията, където енергийната плътност на водорода, съхраняван в амоняка, може да отвори цифри за обхват, които в момента са недостъпни без реактивно гориво. Може би в крайна сметка ще бъде достатъчно малък, за да го поставите в електрическа кола, която можете да заредите с амоняк на бензиностанция.
И това е точно този конкретен фотокатализатор; екипите на Rice и Syzygy със сигурност не спират до тук. Всъщност целта на компанията е да остави без работа термичните катализатори, където могат.
„Като се има предвид техният потенциал за значително намаляване на въглеродните емисии в химическия сектор, фотокатализаторите на плазмонични антени-реактори заслужават допълнително проучване“, добави друг съавтор, Емили Картър. „Тези резултати са страхотен мотиватор. Те предполагат, че е вероятно други комбинации от изобилни метали да се използват като рентабилни катализатори за широк спектър от химични реакции.
Университет Райс
„Катализата е основата на химическата индустрия“, казва още един съавтор и съосновател на Syzygy Питър Нордландер, „и това е една от най-консумиращите енергия части на цялото общество.“
“Ние показваме в тази работа”, добавя Халас, “че базираната на LED химия е действително осъществима и е осъществима в мащаб. Тя може да допринесе за химия в промишлен мащаб и индустриално важни реакции.”
Syzygy казва, че тази реакция вече е започнала и работи в полеви изпитания и че очаква тези реактори за фотокаталитичен крекинг на амоняк да бъдат налични в търговската мрежа през 2023 г.
Това е много вълнуваща технология с огромен потенциал в редица индустрии и като принос за декарбонизацията. Научете повече във видеото по-долу.
Катализаторът на лабораторията за ориз може да бъде ключов за водородната икономика
източник: Университет Райс
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
