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Una celda de reacción prueba los fotocatalizadores plasmónicos de cobre-hierro para la producción de hidrógeno a partir de amoníaco. Foto de Brandon Martin
Los catalizadores basados en metales del grupo del platino han sido un importante foco de atención de la industria química durante décadas. Un grupo del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente de la Universidad de Princeton, Syzygy Plasmonics Inc. y el Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice han desarrollado un catalizador escalable que sólo necesita luz para transformar el amoníaco en combustible de hidrógeno de combustión limpia.
El nuevo catalizador divide estas moléculas en gas nitrógeno, que constituye la mayor parte de la atmósfera terrestre, y gas hidrógeno, un combustible de combustión limpia. Además, no requiere calor como los catalizadores convencionales. En su lugar, obtiene la energía de fuentes de luz, como la luz solar o los LED de bajo consumo.
Los fabricantes de productos químicos se han beneficiado del hecho de que la temperatura suele acelerar las reacciones químicas administrando calor a escala industrial durante más de un siglo. Cuando se queman combustibles fósiles para elevar la temperatura de los enormes recipientes de reacción en cientos o miles de grados, se deja una importante huella de carbono. Los termocatalizadores son materiales que no reaccionan pero aceleran los procesos cuando se calientan a altas temperaturas, y los productores de productos químicos gastan miles de millones de dólares al año en ellos.
La coautora del estudio, Naomi Halas, de Rice, dijo: "Los metales de transición como el hierro suelen ser malos termocatalizadores. Este trabajo demuestra que pueden ser fotocatalizadores plasmónicos eficaces. Demuestra que la fotocatálisis puede realizarse eficazmente con fuentes de fotones LED de bajo coste".
"Este descubrimiento allana el camino hacia un hidrógeno sostenible y de bajo coste que podría producirse localmente en lugar de en enormes plantas centralizadas".
El platino y otros metales preciosos estrechamente relacionados, como el paladio, el rodio y el rutenio, se utilizan para fabricar los mejores termocatalizadores. Halas y Nordlander dedicaron años a crear nanopartículas metálicas plasmónicas, o activadas por la luz. Las mejores suelen crearse con metales preciosos como el oro y la plata.
Halas, Nordlander, sus estudiantes y colaboradores han trabajado durante años para encontrar alternativas de metales no preciosos para las mitades de captación de energía y de velocidad de reacción de los reactores de antena. El nuevo estudio es la culminación de ese trabajo. En él, Halas, Nordlander, el ex alumno de Rice Hossein Robatjazi, la ingeniera y fisicoquímica de Princeton Emily Carter y otros demuestran que las partículas de los reactores de antena hechas de cobre y hierro son muy eficientes para convertir el amoníaco. El cobre, una pieza de las partículas que cosecha energía, capta la energía de la luz visible.
Una celda de reacción (izquierda) y la plataforma fotocatalítica (derecha) utilizadas en las pruebas de fotocatalizadores plasmónicos de cobre y hierro para la producción de hidrógeno a partir de amoníaco en Syzygy Plasmonics, en Houston. Toda la energía de reacción para la catálisis procedía de LEDs que producían luz con una longitud de onda de 470 nanómetros. Cortesía de Syzygy Plasmonics, Inc.
Según Robatjazi, "en ausencia de luz, el catalizador de cobre-hierro presentaba una reactividad unas 300 veces menor que los catalizadores de cobre-rutenio, lo que no es sorprendente dado que el rutenio es un mejor termocatalizador para esta reacción. Bajo iluminación, el cobre-hierro mostró eficiencias y reactividades similares y comparables a las del cobre-rutenio".
Syzygy ha obtenido la licencia de la tecnología de reactores de antena de Rice, y el estudio incluyó pruebas a escala del catalizador en los reactores alimentados por LEDs que la empresa tiene a la venta. En las pruebas de laboratorio realizadas en Rice, los catalizadores de cobre y hierro se habían iluminado con láseres. Las pruebas de Syzygy demostraron que los catalizadores mantenían su eficacia bajo la iluminación LED y a una escala 500 veces mayor que la del laboratorio.
Halas afirma: "Es el primer informe en la literatura científica que demuestra que la fotocatálisis con LED puede producir cantidades a escala de gramos de gas hidrógeno a partir de amoníaco. Esto abre la puerta a sustituir por completo los metales preciosos en la fotocatálisis plasmónica".
Carter añadió: "Dado su potencial para reducir significativamente las emisiones de carbono del sector químico, los fotocatalizadores plasmónicos de antena-reactor merecen un estudio más profundo". "Estos resultados son una gran motivación. Sugieren que es probable que otras combinaciones de metales abundantes puedan utilizarse como catalizadores rentables para una amplia gama de reacciones químicas."
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Universidad de Rice