Фундаментальный прорыв в химии может сделать аммиак экологически чистым топливом, что может помочь обезуглероживанию всей химической промышленности. Исследователи из Университета Райса создали небольшое устройство на светодиодной основе, которое преобразует аммиак в водород при обычных температуре и давлении. В нем используется фотокатализатор с легким приводом, который так же эффективен, как и дорогие термические катализаторы, для работы которых требуются температуры в тысячу градусов. Новый фотокатализатор изготовлен из более дешевых меди и железа. Пока это только начало технологии, которая может радикально снизить затраты и энергопотребление в промышленной химии.
Водород — очень многообещающее экологически чистое топливо. Однако он относительно дорог в получении, и сложен в обращении, поскольку это сверхлегкий газ, который необходимо сжать до 700 атмосфер или же криогенно охладить в пределах абсолютного нуля, чтобы достичь его жидкого состояния. Другими словами, мало получить водород, нужно еще подумать как его хранить и транспортировать, а это точно не идет на пользу распространению этого топлива.
Почему аммиак?
Известно, что аммиак является лучшим переносчиком водорода — каждый из его атомов азота связывает три атома водорода, и хотя он едкий и чрезвычайно опасный (в высоких концентрациях), это стабильная жидкость при обычных температурах и давлениях, а его широкое применение во многих отраслях промышленности означает, что в промышленности есть большой опыт обращения с ним, причем безопасно и в широком диапазоне условий.
Новый фотокатализатор для извлечения водорода (экспериментальная установка)
Аммиак может отлично переносить водород, но если вы хотите использовать этот водород, вам нужно «поломать» его, чтобы извлечь водород и выпустить безвредный азот обратно в атмосферу. Это было сложно по двум основным причинам: во-первых, реакция является эндотермической, поэтому большая часть крекинга* аммиака проводится на крупных установках, работающих при температурах не менее 650-1000 °C (1200-1800 °F). Во-вторых, термическими катализаторами, необходимыми для операций крекинга, обычно являются металлы платиновой группы, такие как рутений, например, – они относительно редкие и дорогие.
Поскольку движение за экологичный водород набирает обороты как ключевая основа перехода к чистой энергии, можно понять, почему команда Университета Райса взволнована тем, что обнаружила простой и эффективный способ ускорить реакцию крекинга при комнатной температуре, используя только медь и железо.
Как работает новый фотокатализатор
Все сводится к фотокаталитике; эта команда уже более 30 лет работает над созданием плазмонных фотокатализаторов типа «антенна-реактор». Это наночастицы катализатора, усеянные маленькими комочками материала — «антеннами», предназначенного для увеличения способности катализатора поглощать свет. Правильно настроенные, эти антенно-реакторные частицы поглощают энергию окружающего света – будь то солнечный свет или свет от 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 сконструированы для любого вида реакций.
Фотокатализаторы «антенна-реактор» команды ученых собирают свет через маленькие частицы «антенны», встроенные в катализаторы «реактора», которые дают им энергию, необходимую для ускорения различных химических реакций. Фото: Syzygy Plasmonics
Этот фотокатализатор, расщепляющий аммиак, использует железо в качестве реактора и медь в качестве светосборной антенны — оба металла дешевые и распространенные, в отличие от типичных медно-рутениевых термических катализаторов, используемых сегодня. В ходе лабораторных испытаний, по словам выпускника Райс и соавтора исследования Хоссейна Робатджази, «при освещении медно-железный катализатор продемонстрировал эффективность и реакционную способность, которые были подобны и сопоставимы с медно-рутениевыми.
Первоначальные испытания проводились с использованием света, подаваемого лазерами, в крошечной экспериментальной установке. Но соавтор исследования Наоми Халас также является соучредителем Syzygy Plasmonics, хорошо финансируемой компании, созданной для коммерциализации работы команды Райса, и Syzygy смогла лицензировать этот конкретный катализатор и построить испытательную установку примерно в 500 раз больше, используя более эффективное, с точки зрения цены, светодиодное освещение вместо лазеров. Катализатор остался таким же эффективным.
“Это первое исследование в научной литературе, показывающее, что фотокатализ с использованием светодиодов может производить газообразный водород из аммиака”, — сказал Халас.
Оно открывает возможности для полной замены драгоценных или редкоземельных металлов в плазмонном фотокатализе.
Итак, возвращаясь к тому, почему это важно — медно-железный фотокатализатор должен значительно удешевить и упростить извлечение водорода из аммиака. Но он также сможет работать без необходимости нагрева, так что также будет сэкономить энергия и сокращать выбросы.
Возможно, и это самое главное, ученые смогут создать устройство для крекинга аммиака, которое будет небольшим, надежным, легким и будет работать при обычной температуре, а не при нагреве в сотни градусов. Представители Syzygy говорят, что первоначальное устройство для фотокаталитического реактора Rigel размером с небольшую стиральную машину перерабатывает около тонны аммиака в день, в зависимости от конкретной реакции, которую он запускает. Они могут быть объединены в «батареи»; т.е. вы сможете запустить несколько приборов одновременно, если вам нужна большая производительность.
Другими словами, теперь появляется возможность установки подобных топливных элементов на электрическом грузовом судне, превращая легко хранящийся аммиак в легко используемый водород прямо там, где это необходимо. Это само по себе могло бы стать абсолютно революционным решением, радикально расширив ассортимент экологически чистых грузовых и пассажирских перевозок.
Ученые сейчас работают над миниатюризацией технологии, чтобы устройства стали достаточно небольшими и легкими, чтобы стать актуальными и в авиации, где плотность энергии водорода, хранящегося в аммиаке, может открыть показатели дальности полета, которые в настоящее время недоступны без использования реактивного топлива. Возможно, со временем он станет достаточно маленьким, чтобы поместиться и в автомобиль, который можно заправить аммиаком на заправочной станции.
И это только один вид фотокатализатора; команды Rice и Syzygy, безусловно, на этом не останавливаются. Цель разработчиков — устранить термические катализаторы от работы в промышленности везде, где это возможно.
“Учитывая их потенциал в значительном сокращении выбросов углерода в химическом секторе, плазмонные антенно-реакторные фотокатализаторы заслуживают дальнейшего изучения”, — добавила другой соавтор, Эмили Картер.
Эти результаты — отличный мотиватор. Они предполагают, что, вероятно, другие комбинации распространенных металлов могут быть использованы в качестве экономически эффективных катализаторов для широкого спектра химических реакций .
«Катализ — это основа химической промышленности, — говорит еще один соавтор и соучредитель Syzygy Питер Нордландер, — и это одна из самых энергозатратных частей экономики».
В своей работе мы показываем, что химия на основе светодиодов реальна, и это вполне масштабируемая технология. Она может химической промышленности…
В команде Syzygy говорят, что уже проверили работоспособность реакции в полевых условиях и ожидают, что подобные реакторы для фотокаталитического крекинга аммиака будут доступны для коммерческого использования в 2023 году.
Это очень захватывающая технология, обладающая огромным потенциалом в различных отраслях промышленности и способствующая сокращению выбросов углекислого газа.
Статьи по теме:
В Китае появится крупнейший в мире завод по производству водорода
Nota bene
Крекинг — разложение продуктов в специальных установках при температуре свыше 400°С, во многих случаях — с применением высокого давления и катализатора; при крекировании происходит расщепление тяжелых малоценных продуктов на более ценные. Основная сфера применения — переработка нефти.
Фундаментальный прорыв в химии может сделать аммиак экологически чистым топливом, что может помочь обезуглероживанию всей химической промышленности. Исследователи из Университета Райса создали небольшое устройство на светодиодной основе, которое прео...
Новый фотокатализатор поможет распространению водородных топливных элементов
Время на прочтение: 5 минут(ы)
Фундаментальный прорыв в химии может сделать аммиак экологически чистым топливом, что может помочь обезуглероживанию всей химической промышленности. Исследователи из Университета Райса создали небольшое устройство на светодиодной основе, которое преобразует аммиак в водород при обычных температуре и давлении. В нем используется фотокатализатор с легким приводом, который так же эффективен, как и дорогие термические катализаторы, для работы которых требуются температуры в тысячу градусов. Новый фотокатализатор изготовлен из более дешевых меди и железа. Пока это только начало технологии, которая может радикально снизить затраты и энергопотребление в промышленной химии.
Водород — очень многообещающее экологически чистое топливо. Однако он относительно дорог в получении, и сложен в обращении, поскольку это сверхлегкий газ, который необходимо сжать до 700 атмосфер или же криогенно охладить в пределах абсолютного нуля, чтобы достичь его жидкого состояния. Другими словами, мало получить водород, нужно еще подумать как его хранить и транспортировать, а это точно не идет на пользу распространению этого топлива.
Почему аммиак?
Известно, что аммиак является лучшим переносчиком водорода — каждый из его атомов азота связывает три атома водорода, и хотя он едкий и чрезвычайно опасный (в высоких концентрациях), это стабильная жидкость при обычных температурах и давлениях, а его широкое применение во многих отраслях промышленности означает, что в промышленности есть большой опыт обращения с ним, причем безопасно и в широком диапазоне условий.
Аммиак может отлично переносить водород, но если вы хотите использовать этот водород, вам нужно «поломать» его, чтобы извлечь водород и выпустить безвредный азот обратно в атмосферу. Это было сложно по двум основным причинам: во-первых, реакция является эндотермической, поэтому большая часть крекинга* аммиака проводится на крупных установках, работающих при температурах не менее 650-1000 °C (1200-1800 °F). Во-вторых, термическими катализаторами, необходимыми для операций крекинга, обычно являются металлы платиновой группы, такие как рутений, например, – они относительно редкие и дорогие.
Поскольку движение за экологичный водород набирает обороты как ключевая основа перехода к чистой энергии, можно понять, почему команда Университета Райса взволнована тем, что обнаружила простой и эффективный способ ускорить реакцию крекинга при комнатной температуре, используя только медь и железо.
Как работает новый фотокатализатор
Все сводится к фотокаталитике; эта команда уже более 30 лет работает над созданием плазмонных фотокатализаторов типа «антенна-реактор». Это наночастицы катализатора, усеянные маленькими комочками материала — «антеннами», предназначенного для увеличения способности катализатора поглощать свет. Правильно настроенные, эти антенно-реакторные частицы поглощают энергию окружающего света – будь то солнечный свет или свет от 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 сконструированы для любого вида реакций.
Этот фотокатализатор, расщепляющий аммиак, использует железо в качестве реактора и медь в качестве светосборной антенны — оба металла дешевые и распространенные, в отличие от типичных медно-рутениевых термических катализаторов, используемых сегодня. В ходе лабораторных испытаний, по словам выпускника Райс и соавтора исследования Хоссейна Робатджази, «при освещении медно-железный катализатор продемонстрировал эффективность и реакционную способность, которые были подобны и сопоставимы с медно-рутениевыми.
Первоначальные испытания проводились с использованием света, подаваемого лазерами, в крошечной экспериментальной установке. Но соавтор исследования Наоми Халас также является соучредителем Syzygy Plasmonics, хорошо финансируемой компании, созданной для коммерциализации работы команды Райса, и Syzygy смогла лицензировать этот конкретный катализатор и построить испытательную установку примерно в 500 раз больше, используя более эффективное, с точки зрения цены, светодиодное освещение вместо лазеров. Катализатор остался таким же эффективным.
“Это первое исследование в научной литературе, показывающее, что фотокатализ с использованием светодиодов может производить газообразный водород из аммиака”, — сказал Халас.
Итак, возвращаясь к тому, почему это важно — медно-железный фотокатализатор должен значительно удешевить и упростить извлечение водорода из аммиака. Но он также сможет работать без необходимости нагрева, так что также будет сэкономить энергия и сокращать выбросы.
Возможно, и это самое главное, ученые смогут создать устройство для крекинга аммиака, которое будет небольшим, надежным, легким и будет работать при обычной температуре, а не при нагреве в сотни градусов. Представители Syzygy говорят, что первоначальное устройство для фотокаталитического реактора Rigel размером с небольшую стиральную машину перерабатывает около тонны аммиака в день, в зависимости от конкретной реакции, которую он запускает. Они могут быть объединены в «батареи»; т.е. вы сможете запустить несколько приборов одновременно, если вам нужна большая производительность.
Другими словами, теперь появляется возможность установки подобных топливных элементов на электрическом грузовом судне, превращая легко хранящийся аммиак в легко используемый водород прямо там, где это необходимо. Это само по себе могло бы стать абсолютно революционным решением, радикально расширив ассортимент экологически чистых грузовых и пассажирских перевозок.
Ученые сейчас работают над миниатюризацией технологии, чтобы устройства стали достаточно небольшими и легкими, чтобы стать актуальными и в авиации, где плотность энергии водорода, хранящегося в аммиаке, может открыть показатели дальности полета, которые в настоящее время недоступны без использования реактивного топлива. Возможно, со временем он станет достаточно маленьким, чтобы поместиться и в автомобиль, который можно заправить аммиаком на заправочной станции.
И это только один вид фотокатализатора; команды Rice и Syzygy, безусловно, на этом не останавливаются. Цель разработчиков — устранить термические катализаторы от работы в промышленности везде, где это возможно.
“Учитывая их потенциал в значительном сокращении выбросов углерода в химическом секторе, плазмонные антенно-реакторные фотокатализаторы заслуживают дальнейшего изучения”, — добавила другой соавтор, Эмили Картер.
«Катализ — это основа химической промышленности, — говорит еще один соавтор и соучредитель Syzygy Питер Нордландер, — и это одна из самых энергозатратных частей экономики».
В команде Syzygy говорят, что уже проверили работоспособность реакции в полевых условиях и ожидают, что подобные реакторы для фотокаталитического крекинга аммиака будут доступны для коммерческого использования в 2023 году.
Это очень захватывающая технология, обладающая огромным потенциалом в различных отраслях промышленности и способствующая сокращению выбросов углекислого газа.
Nota bene
Крекинг — разложение продуктов в специальных установках при температуре свыше 400°С, во многих случаях — с применением высокого давления и катализатора; при крекировании происходит расщепление тяжелых малоценных продуктов на более ценные. Основная сфера применения — переработка нефти.
Источник:
https://news.rice.edu/news/2022/rice-labs-catalyst-could-be-key-hydrogen-economy
2
Tags: зеленая энергетиказеленые технологииновые технологиисокращение выбросов COсокращение углеродной зависимостихорошие новости в мире