Os engenheiros da Rice University criaram uma nanopartícula movida a luz que poderia reduzir a pegada de carbono de um segmento importante da indústria química.

A partícula, minúsculas esferas de cobre pontilhadas com átomos únicos de rutênio, é o componente chave em um processo verde para fazer gás de síntese, ou gás de síntese, valiosa matéria-prima química que é usada para fazer combustíveis, fertilizantes e muitos outros produtos. Pesquisadores da Rice, UCLA e a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara (UCSB), descrever a baixa energia, processo de produção de gás de síntese em baixa temperatura esta semana na Nature Energy.

"Syngas pode ser feito de várias maneiras, mas um daqueles, reforma a seco do metano, é cada vez mais importante porque os insumos químicos são metano e dióxido de carbono, dois gases de efeito estufa potentes e problemáticos, "disse a química e engenheira da Rice Naomi Halas, um co-autor correspondente no artigo.

Syngas é uma mistura de monóxido de carbono e gás hidrogênio que pode ser feito de carvão, biomassa, gás natural e outras fontes. É produzido em centenas de usinas de gaseificação em todo o mundo e é usado para fazer combustíveis e produtos químicos no valor de mais de US $ 46 bilhões por ano, de acordo com uma análise de 2017 da BCC Research.

Catalisadores, materiais que estimulam reações entre outros produtos químicos, são críticos para a gaseificação. As usinas de gaseificação normalmente usam vapor e catalisadores para separar os hidrocarbonetos. Os átomos de hidrogênio se emparelham para formar gás hidrogênio, e os átomos de carbono combinam-se com o oxigênio na forma de monóxido de carbono. Na reforma a seco, os átomos de oxigênio vêm do dióxido de carbono, e não do vapor. Mas a reforma a seco não tem sido atraente para a indústria porque normalmente requer temperaturas ainda mais altas e mais energia do que os métodos à base de vapor, disse o primeiro autor do estudo Linan Zhou, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP).

Halas, quem dirige o LANP, trabalhou durante anos para criar nanopartículas ativadas por luz que inserem energia em reações químicas com precisão cirúrgica. Em 2011, sua equipe mostrou que pode aumentar a quantidade de elétrons de alta energia chamados de "portadores quentes" que são criados quando a luz atinge o metal, e em 2016 eles revelaram o primeiro de vários "reatores de antena" que usam portadoras quentes para conduzir a catálise.

Um desses, um reator de antena de cobre e rutênio para fazer hidrogênio a partir da amônia, foi o assunto de um artigo da Science em 2018 pela Halas, Zhou e colegas. Zhou disse que o catalisador de gás de síntese usa um design semelhante. Em cada, uma esfera de cobre com cerca de 5-10 nanômetros de diâmetro é pontilhada com ilhas de rutênio. Para os catalisadores de amônia, cada ilha continha algumas dezenas de átomos de rutênio, mas Zhou teve que reduzi-los a um único átomo para o catalisador de reforma a seco.

"Alta eficiência é importante para esta reação, mas a estabilidade é ainda mais importante, "Zhou disse." Se você disser a uma pessoa na indústria que tem um catalisador realmente eficiente, ela perguntará:'Quanto tempo pode durar?' "

Zhou disse que a questão é importante para os produtores, porque a maioria dos catalisadores de gaseificação são propensos a "coque, "um acúmulo de carbono na superfície que eventualmente os torna inúteis.

"Eles não podem mudar o catalisador todos os dias, "Zhou disse." Eles querem algo que possa durar. "

Ao isolar os sítios ativos de rutênio onde o carbono é dissociado do hidrogênio, Zhou reduziu as chances de os átomos de carbono reagirem uns com os outros para formar coque e aumentou a probabilidade de eles reagirem com o oxigênio para formar monóxido de carbono.

"Mas as ilhas de um único átomo não são suficientes, "disse ele." Para estabilidade, você precisa de átomos individuais e elétrons quentes. "

Zhou disse que as investigações experimentais e teóricas da equipe apontam para portadores quentes afastando o hidrogênio da superfície do reator.

"Quando o hidrogênio sai da superfície rapidamente, é mais provável que forme hidrogênio molecular, "disse ele." Também diminui a possibilidade de uma reação entre o hidrogênio e o oxigênio, e deixa o oxigênio para reagir com o carbono. É assim que você pode controlar com o elétron quente para garantir que ele não forme coca. "

Halas disse que a pesquisa pode abrir o caminho "para a sustentabilidade, movido a luz, temperatura baixa, reações de reforma do metano para a produção de hidrogênio sob demanda. "

"Além do gás de síntese, o único átomo, projeto de antena-reator pode ser útil no projeto de catalisadores de eficiência energética para outras aplicações, " ela disse.

A tecnologia foi licenciada pela Syzygy Plasmonics, uma startup baseada em Houston cujos co-fundadores incluem Halas e o co-autor do estudo Peter Nordlander.