توسعه کاتالیزور جدید در دانشگاه رایس که از نور به‌جای حرارت برای تولید هیدروژن سبز استفاده می‌کند
هیدروژن، یک کالای انرژی تمیز، قوی و چندکاره، می‌تواند در گذار به یک اکوسیستم انرژی پایدار بسیار حیاتی باشد.
با این حال، فرآیند شیمیایی برای بیش از نیمی از تولید جهانی هیدروژن به‌طور قابل‌توجهی به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند.
برای کاهش این مسئله، محققان دانشگاه رایس یک کاتالیست توسعه داده‌اند که می‌تواند فرآیند اصلاح بخار متان (SMR) را با استفاده از نور به‌جای حرارت برای انجام واکنش، به‌طور کامل بدون انتشار انجام دهد.
SMR یک واکنش شیمیایی است که هیدروژن و مونواکسید کربن را از گاز طبیعی و دیگر منابع متان تولید می‌کند.
استفاده از نور به‌جای حرارت
این تحقیق می‌تواند برای افزایش عمر کاتالیزورها، افزایش کارایی‌ها و کاهش هزینه‌ها در فرآیندهای صنعتی مختلف که با پوسته‌دابی (تشکیل کربن) تحت تأثیر قرار می‌گیرند، ضروری باشد.
فوتوکاتالیست جدید مس-رودیوم دارای طراحی آنتن-راکتور است که متان و بخار آب را بدون نیاز به حرارت خارجی و با مواجهه با طول موج خاصی از نور، تجزیه می‌کند.
این فرآیند هیدروژن و مونواکسید کربن تولید می‌کند که برای صنعت شیمیایی با ارزش هستند و به گازهای گلخانه‌ای کمک نمی‌کنند.
پیتر نوردلندر، رئیس ویس و استاد فیزیک و نجوم و استاد مهندسی برق و کامپیوتر و علوم مواد و نانومهندسی در دانشگاه رایس، گفت: این یکی از مهم‌ترین یافته‌های ما تاکنون است، چون جایگزین بهتری برای واکنش شیمیایی که احتمالاً برای جامعه معاصر مهم‌ترین است، ارائه می‌دهد.
ما روش کاملاً جدید و بسیار پایدارتری برای انجام SMR توسعه دادیم.
نوردلندر و نائومی هلاس، استاد دانشگاه رایس و استاد استنلی سی. مور در مهندسی برق و کامپیوتر، نویسندگان مسئول مطالعه‌ای هستند که اخیراً در Nature Catalysis منتشر شده است.
مسیر واکنش جدید SMR از کشف 2011 که توسط آزمایشگاه‌های هلاس و نوردلندر در دانشگاه رایس انجام شد، بهره می‌برد. آن‌ها دریافتند که پلاسمون‌ها - نوسانات همگانی الکترون‌ها در نانوذرات فلزی هنگام مواجهه با نور - می‌توانند حامل‌های گرما را منتشر کنند، که الکترون‌ها و حفره‌های با انرژی بالا هستند که می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را اجرا کنند.
تولید هیدروژن سبز
یگائو یوان، دانشجوی دکتری در رایس و نخستین نویسنده در مطالعه، گفت: ما فتوکیمیای پلاسمونی انجام می‌دهیم - پلاسمون واقعاً کلید ما در اینجا است - زیرا پلاسمون‌ها واقعاً جذب‌کننده‌های نور کارآمدی هستند و می‌توانند حامل‌های بسیار پرانرژی تولید کنند که می‌توانند شیمی که به آن‌ها نیاز داریم را بسیار مؤثرتر از ترموکاتالیست‌های معمول انجام دهند.
سیستم کاتالیزور جدید از نانوذرات مس به‌عنوان آنتن‌های جذب انرژی استفاده می‌کند.
از آنجا که سطح پلاسمونی نانوذرات مس به‌خوبی با متان پیوند نمی‌خورد، اتم‌ها و کلاسترهای رودیوم به‌عنوان محل‌های واکنش اضافه شدند.
ذرات رودیوم مولکول‌های آب و متان را به سطح پلاسمونی متصل می‌کنند، و انرژی از حامل‌های گرم برای اجرای واکنش SMR استفاده می‌شود.
یوان گفت: ما سیستم‌های کاتالیزور زیادی را آزمایش کردیم، اما این یکی بهترین کار انجام داد.
تحقیقات نشان می‌دهد که فناوری آنتن-راکتور می‌تواند به‌طور مؤثر اکسیداسیون و تشکیل پوسته کاتالیزور را غیرفعال کند.
این فناوری با موفقیت کاتالیزور را با استفاده از نور از طریق حامل‌های گرم برای حذف گونه‌های اکسیژن و رسوبات کربن بازسازی می‌کند.
نوردلندر گفت: کلید این اثر شگرف و هوشمندانه قرار دادن رودیوم بود که به‌طور پراکنده و ناهماهنگ بر سطح نانوذرات پخش می‌شود.
هیدروژن در حال حاضر عمدتاً در تاسیسات بزرگ و متمرکز تولید می‌شود که به گاز نیاز دارند تا به نقطه مصرف منتقل شود.
در مقابل، SMR مبتنی بر نور امکان تولید هیدروژن درخواستی را فراهم می‌کند، که مزیت کلیدی برای استفاده در کاربردهای مرتبط با تحرک مانند ایستگاه‌های سوخت هیدروژن یا وسایل نقلیه است.
هلاس گفت : این تحقیق پتانسیل فتوکیمیای نوآورانه را برای تغییر فرآیندهای صنعتی مهم نشان می‌دهد و ما را به آینده‌ای از انرژی پایدار زیست‌محیطی نزدیک‌تر می‌کند.
