Фотокатализ аммиака как ключ к водородной экономике.

В реакционной ячейке тестируются медно-железные плазмонные фотокатализаторы для производства водорода из аммиака. Источник.

Каждый школьник знает, что с повышением температуры обычно увеличивается и скорость химических реакций. Химическая промышленность вот уже более века использует это подспорье, сжигая ископаемое топливо для повышения температуры больших реакторов на сотни и тысячи градусов. Этот способ настолько хорошо работает, что, прочно закрепившись в общемировой практике, привёл нас ‒ наряду с другими похожими технологиями ‒ к фундаментальной необходимости учитывать углеродный след буквально во всех сферах не только производства, но и деятельности вообще. Кроме того, этот способ отбирает много сил ещё и в экономическом плане: на производство термокатализаторов ‒ материалов, которые не вступают в реакцию, но ещё больше ускоряют её ход при интенсивном нагревании ‒ ежегодно тратятся миллиарды долларов.

Учёные непрерывно вели поиски по удешевлению технологии, а теперь, увы, главенствующей мотивацией для них выступает ещё и соображение экологической составляющей. И вот, в Университете Райса, разработали кое-что уникальное, и это что-то вполне можно противопоставить вредному химпроизводству предыдущих лет. 

Используя только недорогое сырьё, команда, состоящая из учёных-представителей Лаборатории нанофотоники, Syzygy Plasmonics Inc. и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера Принстонского университета, создала масштабируемый катализатор, которому нужна только сила света.

Но это не всё. Любопытно то, что изобретение эффективно преобразует аммиак в чисто горящее водородное топливо. Другими словами, исследователи создали не просто ещё один чуть более эффективный, чем предыдущие, катализатор, а ключевой, активируемый светом, наноматериал для построения систем новой ‒ и чистой! ‒ водородной экономики. 

Исследование вторит тенденциям создания и внедрения жидкого безуглеродного аммиачного топлива, которое не будет способствовать накоплению парниковых газов и глобальному потеплению. Жидкий аммиак давно рассматривается как неплохой претендент на роль главного решения экологического вопроса со стороны энергетической сферы. И он действительно подходит довольно хорошо: его легко транспортировать, и он содержит много энергии. Так, на один атом азота в молекуле приходится аж три атома столь вожделенного нами водорода. 

Так вот: новый катализатор расщепляет эти молекулы на газообразный водород ‒ то самое чистое топливо ‒ и газообразный азот, на долю которого приходится около 78% состава атмосферы. Плюс ‒ в отличие от традиционных собратьев ‒ он не требует тепла, довольствуясь лишь энергией света. И причём не столь важно, что за источник используется: будь то хоть солнце, хоть довольно скупые в энергетическом плане светодиоды, ‒ решение остаётся действенным при различном освещении.

Как же получилось этого добиться? Оказывается, вся загадка кроется в другой точке зрения на используемые обычно вещества и элементы периодической системы.

«Переходные металлы, вроде железа, обычно ‒ неважные термокатализаторы», ‒ говорит Наоми Халас из Университета Райс, соавтор исследования. ‒ Эта же работа показывает, что они могут быть эффективными плазмонными фотокатализаторами».

Лучшие термокатализаторы изготавливаются из платины и родственных драгоценных металлов, таких как палладий, родий и рутений. Халас и её коллега по Университету Райс ‒ и таже соавтор исследования ‒ Питер Нордландер потратили годы на разработку активируемых светом (плазмонных) металлических наночастиц. Лучшие из них также обычно изготавливаются из драгоценных металлов, таких как серебро и золото.

После открытия в 2011 году плазмонных частиц, которые испускают короткоживущие высокоэнергетические электроны, называемые «горячими носителями», в 2016 году исследователи обнаружили , что генераторы горячих носителей могут быть объединены с каталитическими частицами. Это позволило создать некие гибридные «антенны-реакторы», в которых одна часть собирала энергию света, а другая ‒ использовала её для проведения химических реакций с потрясающей, просто хирургической точностью.

Халас, Нордландер, их ученики и коллеги годами работали над поиском альтернатив из недрагоценных металлов как для сбора энергии, так и для ускоряющих реакцию частей 

антенных реакторов. Описываемое исследование является кульминацией как раз этой замечательной работы. В нем Халас, Нордландер, выпускник Райса Хоссейн Робатжази, инженер из Принстона и химик-материаловед Эмили Картер и другие показывают, что частицы антенного реактора, сделанные из обычных меди и железа, очень эффективны при преобразовании аммиака. Медная часть, собирающая энергию частиц, эффективно улавливает энергию видимого света.

«В отсутствие света медно-железный катализатор проявлял примерно в 300 раз более низкую реакционную способность, чем медно-рутениевые катализаторы, что неудивительно, учитывая, что рутений является лучшим термокатализатором для этой реакции, ‒ рассказывает Робатжази, доктор философии, выпускник исследовательской группы Халаса, который сейчас является главным научным сотрудником Syzygy Plasmonics в Хьюстоне. ‒ Под освещением медь-железо показало эффективность и реактивность, которые были аналогичны и сравнимы с медно-рутениевыми».

Syzygy аттестовала антенно-реакторную технологию, и исследователи включили в работу расширенные испытания катализатора со светодиодным питанием в коммерчески доступных реакторах компании. В ходе лабораторных испытаний в Райсе медно-железные катализаторы освещались лазерами. Испытания Syzygy показали, что катализаторы сохраняют свою эффективность при светодиодном освещении и в масштабе, в 500 раз превышающем лабораторную установку.

Таким образом, учёные приходят к выводу, что «фотокатализ можно эффективно выполнять с помощью недорогих светодиодных источников фотонов».

«Это первый отчёт в научной литературе, показывающий, что фотокатализ с помощью светодиодов может производить граммовые количества газообразного водорода из аммиака, ‒ говорит Халас. ‒ Это открывает возможность полностью заменить драгоценные металлы в плазмонном фотокатализе».

Питер Нордландер продолжает эту мысль: «Это открытие прокладывает путь к устойчивому и дешёвому водороду, который можно производить локально, а не на крупных централизованных заводах».

При всём успехе, учёные признают в этой грандиозной работе в первую очередь хорошее начало для более крупных исследований и куда более неожиданных открытий.

«Учитывая их потенциал для значительного сокращения выбросов углерода в химическом секторе, фотокатализаторы с плазмонными антеннами и реакторами заслуживают дальнейшего изучения, ‒ подводит итоги Эмили Картер. ‒ Эти результаты являются отличным мотиватором. Они предполагают, что другие комбинации распространённых металлов могут быть использованы в качестве экономически эффективных катализаторов для широкого спектра химических реакций».

АРМК, по материалам Университета Райса.