Em uma descoberta que poderia transformar alguns dos processos de fabricação mais intensivos em energia do mundo, pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica da Rice University revelaram um novo método para unir nanomateriais fotônicos de captura de luz e catalisadores de metal de alta eficiência.

Cada ano, produtores de produtos químicos gastam bilhões de dólares em catalisadores de metal, materiais que estimulam ou aceleram as reações químicas. Os catalisadores são usados ​​para produzir trilhões de dólares em produtos químicos. Infelizmente, a maioria dos catalisadores só funciona em altas temperaturas ou alta pressão ou ambos. Por exemplo, a Agência de Informação de Energia dos EUA estimou que, em 2010, apenas um segmento da indústria química dos EUA, produção de resina plástica, usou quase 1 quatrilhão de unidades térmicas britânicas de energia, aproximadamente a mesma quantidade de energia contida em 8 bilhões de galões de gasolina.

Pesquisadores de nanotecnologia há muito tempo estão interessados ​​em capturar parte do mercado mundial de catálise com materiais fotônicos eficientes em energia, materiais metálicos feitos sob medida com precisão atômica para coletar energia da luz solar. Infelizmente, os melhores nanomateriais para a coleta de luz - ouro, prata e alumínio - não são catalisadores muito bons, e os melhores catalisadores - paládio, platina e ródio - são pobres em captar energia solar.

O novo catalisador, que é descrito em um estudo esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , é a última inovação da LANP, um multidisciplinar, Grupo de pesquisa com vários investigadores liderado pela pioneira em fotônica Naomi Halas. Halas, que também dirige o Instituto Smalley-Curl de Rice, disse que uma série de estudos nos últimos anos mostraram que nanopartículas "plasmônicas" ativadas por luz podem ser usadas para aumentar a quantidade de luz absorvida por nanopartículas escuras adjacentes. Plasmons são ondas de elétrons que se espalham como um fluido pela superfície de minúsculas nanopartículas metálicas. Dependendo da frequência de seu sloshing, essas ondas plasmônicas podem interagir e coletar a energia da luz que passa.

No verão de 2015, Halas e o co-autor do estudo, Peter Nordlander, projetaram um experimento para testar se uma antena plasmônica poderia ser acoplada a uma partícula de reator catalítico. A estudante de graduação Dayne Swearer trabalhou com eles, A cientista de materiais de arroz Emilie Ringe e outros da Rice and Princeton University para produzir, testar e analisar o desempenho do projeto "antena-reator".

Swearer começou sintetizando cristais de alumínio de 100 nanômetros de diâmetro que, uma vez exposto ao ar, desenvolver um revestimento fino de óxido de alumínio com 2 a 4 nanômetros de espessura. As partículas oxidadas foram então tratadas com um sal de paládio para iniciar uma reação que resultou na formação de pequenas ilhas de metal paládio na superfície das partículas oxidadas. O núcleo de alumínio não oxidado serve como antena plasmônica e as ilhas de paládio como reatores catalíticos.

Swearer disse que a indústria química já usa materiais de óxido de alumínio pontilhados de ilhas de paládio para catalisar reações, mas o paládio nesses materiais deve ser aquecido a altas temperaturas para se tornar um catalisador eficiente.

"Você precisa adicionar energia para melhorar a eficiência catalítica, "disse ele." Nossos catalisadores também precisam de energia, mas eles o extraem diretamente da luz e não requerem aquecimento adicional. "

Um exemplo de um processo onde os novos catalisadores de reator de antena poderiam ser usados ​​é para reagir acetileno com hidrogênio para produzir etileno, Swearer disse.

O etileno é a matéria-prima química para a fabricação de polietileno, o plástico mais comum do mundo, que é usado em milhares de produtos de uso diário. Acetileno, um hidrocarboneto que é frequentemente encontrado nas matérias-primas de gás que são usadas em fábricas de polietileno, danifica os catalisadores que os produtores usam para converter etileno em polietileno. Por esta razão, acetileno é considerado um "veneno de catalisador" e deve ser removido da matéria-prima de etileno - geralmente com outro catalisador - antes que possa causar danos.

Uma forma de os produtores removerem o acetileno é adicionar gás hidrogênio na presença de um catalisador de paládio para converter o acetileno venenoso em etileno - o principal componente necessário para fazer a resina de polietileno. Mas este processo catalítico também produz outro gás, etano, além do etileno. Os produtores de produtos químicos tentam adaptar o processo para produzir o máximo de eteno e o mínimo de etano possível, mas a seletividade continua sendo um desafio, Swearer disse.

Como uma prova de conceito para os novos catalisadores de antena-reator, Juro, Halas e colegas conduziram testes de conversão de acetileno no LANP e descobriram que os catalisadores de reator-antena acionados por luz produziram uma proporção de etileno para etano de 40 para 1, uma melhoria significativa na seletividade em relação à catálise térmica.

Swearer disse que a economia potencial de energia e a eficiência aprimorada dos novos catalisadores provavelmente atrairão a atenção dos produtores de produtos químicos, mesmo que suas plantas não sejam atualmente projetadas para usar catalisadores movidos a energia solar.

“A indústria de polietileno produz mais de US $ 90 bilhões em produtos a cada ano, e nossos catalisadores transformam um dos venenos da indústria em uma mercadoria valiosa, " ele disse.

Halas disse que está muito animada com o amplo potencial da tecnologia catalítica do reator-antena.

"O projeto da antena-reator é modular, o que significa que podemos misturar e combinar os materiais para a antena e o reator para criar um catalisador sob medida para uma reação específica, "ela disse." Por causa dessa flexibilidade, existem muitos, muitas aplicações em que acreditamos que essa tecnologia poderia superar os catalisadores existentes. "