Каждый год производители химической продукции тратят миллиарды долларов на металлические катализаторы, материалы, которые стимулируют или ускоряют химические реакции. Катализаторы используются для производства химических продуктов на триллионы долларов.
К сожалению, большинство катализаторов работают только при высоких температурах или высоком давлении, либо при том и другом одновременно. Например, Агентство энергетической информации США подсчитало, что в 2010 году только один сегмент химической промышленности США, производство пластмассовых смол, использовал почти 1 квадриллион британских тепловых единиц энергии, примерно такое же количество энергии содержится в 8 миллиардах галлонов бензина.Исследователи нанотехнологий уже давно заинтересованы в захвате части мирового рынка катализа энергоэффективными фотонными материалами, металлическими материалами, которые созданы с атомной точностью для сбора энергии солнечного света.
К сожалению, лучшие наноматериалы для сбора света — золото, серебро и алюминий — не очень хорошие катализаторы, а лучшие катализаторы — палладий, платина и родий — плохо улавливают солнечную энергию.Новый катализатор, который описан в исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, является последней инновацией LANP, многопрофильной исследовательской группы, возглавляемой пионером фотоники Наоми Халас.
Халас, который также руководит Институтом Смолли-Керла Райса, сказал, что ряд исследований, проведенных в последние годы, показал, что активируемые светом «плазмонные» наночастицы можно использовать для увеличения количества света, поглощаемого соседними темными наночастицами. Плазмоны — это волны электронов, которые, как жидкость, плещутся по поверхности крошечных металлических наночастиц.
В зависимости от частоты их колебания эти плазмонные волны могут взаимодействовать с проходящим светом и собирать энергию от него.Летом 2015 года Халас и соавтор исследования Питер Нордландер разработали эксперимент, чтобы проверить, можно ли прикрепить плазмонную антенну к частице каталитического реактора.
Аспирант Дэйн Свирер работал с ними, Райс-материаловедом Эмили Риндж и другими в Райс и Принстонском университете над созданием, тестированием и анализом характеристик конструкции «антенна-реактор».Свирер начал с синтеза кристаллов алюминия диаметром 100 нанометров, которые после воздействия воздуха образуют тонкое покрытие из оксида алюминия толщиной от 2 до 4 нанометров. Затем окисленные частицы обрабатывали солью палладия для инициирования реакции, в результате которой на поверхности окисленных частиц образовывались небольшие островки металлического палладия.
Неокисленный алюминиевый сердечник служит плазмонной антенной, а островки палладия — каталитическими реакторами.Свирер сказал, что химическая промышленность уже использует материалы из оксида алюминия, усеянные островками палладия, для катализа реакций, но палладий в этих материалах должен быть нагрет до высоких температур, чтобы стать эффективным катализатором.
«Чтобы улучшить каталитическую эффективность, нужно добавить энергии», — сказал он. «Наши катализаторы также нуждаются в энергии, но они получают ее непосредственно от света и не требуют дополнительного нагрева».По словам Свирера, одним из примеров процесса, в котором могут быть использованы новые катализаторы антенного реактора, является реакция ацетилена с водородом с образованием этилена.
Этилен — химическое сырье для производства полиэтилена, самого распространенного в мире пластика, который используется в тысячах повседневных товаров. Ацетилен, углеводород, который часто содержится в газовом сырье, используемом на заводах по производству полиэтилена, повреждает катализаторы, которые производители используют для преобразования этилена в полиэтилен.
По этой причине ацетилен считается «каталитическим ядом» и должен быть удален из этиленового сырья — часто с другим катализатором — до того, как он может вызвать повреждение.Один из способов удаления ацетилена производителями — это добавление газообразного водорода в присутствии палладиевого катализатора для превращения ядовитого ацетилена в этилен — основной компонент, необходимый для производства полиэтиленовой смолы. Но этот каталитический процесс также производит другой газ, этан, помимо этилена.
По словам Свирера, производители химикатов пытаются адаптировать процесс к производству как можно большего количества этилена и как можно меньше этана, но селективность остается проблемой.В качестве доказательства концепции новых катализаторов антенного реактора Свирер, Халас и его коллеги провели испытания конверсии ацетилена в LANP и обнаружили, что световые катализаторы антенного реактора производят отношение этилена к этану 40: 1, значительное улучшение селективности по сравнению с термическим катализом.Свирер сказал, что потенциальная экономия энергии и повышение эффективности новых катализаторов, вероятно, привлекут внимание производителей химической продукции, даже несмотря на то, что их заводы в настоящее время не рассчитаны на использование катализаторов на солнечной энергии.
«Промышленность полиэтилена производит продукцию на сумму более 90 миллиардов долларов в год, а наши катализаторы превращают один из промышленных ядов в ценный товар», — сказал он.Халас сказала, что ее больше всего волнует широкий потенциал каталитической технологии антенно-реакторного типа.
«Конструкция антенны-реактора является модульной, что означает, что мы можем смешивать и согласовывать материалы как для антенны, так и для реактора, чтобы создать индивидуальный катализатор для конкретной реакции», — сказала она. «Благодаря такой гибкости существует множество приложений, в которых, по нашему мнению, эта технология может превзойти существующие катализаторы».