Investigadores de la Universidad de Rice, Syzygy Plasmonics Inc. y la Universidad de Princeton han diseñado un nanomaterial activado por luz clave para la economía del hidrógeno.
En un artículo publicado en la revista Science, los científicos explican que usando solo materias primas económicas pudieron crear un catalizador escalable que solo necesita el poder de la luz para convertir el amoníaco en combustible de hidrógeno de combustión limpia.
Según el artículo, el amoníaco líquido es fácil de transportar y contiene mucha energía, con un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno por molécula. El nuevo catalizador rompe esas moléculas en gas hidrógeno y gas nitrógeno. A diferencia de los catalizadores tradicionales, no requiere calor. En cambio, recolecta energía de la luz, ya sea luz solar o LED.
El documento también explica que el ritmo de las reacciones químicas generalmente aumenta con la temperatura, y los productores químicos han capitalizado esto durante más de un siglo mediante la aplicación de calor a escala industrial. Sin embargo, la quema de combustibles fósiles para elevar la temperatura de grandes recipientes de reacción en cientos o miles de grados da como resultado una enorme huella de carbono. Los productores de productos químicos también gastan miles de millones de dólares cada año en termocatalizadores, materiales que no reaccionan pero aceleran aún más las reacciones bajo un calentamiento intenso.
Los coautores del estudio, Naomi Halas y Peter Nordlander, señalaron que los mejores termocatalizadores están hechos de platino y metales preciosos relacionados, como paladio, rodio y rutenio. También existe la posibilidad de utilizar nanopartículas metálicas activadas por la luz (plasmónicas) para acelerar las reacciones, pero las mejores también suelen fabricarse con metales preciosos como la plata y el oro.
Sin embargo, el nuevo trabajo muestra que los metales de transición como el hierro pueden convertirse en fotocatalizadores plasmónicos eficientes cuando se someten a fuentes de fotones LED.
En opinión de los investigadores, este descubrimiento allana el camino para el hidrógeno sostenible y de bajo costo que podría producirse localmente en lugar de plantas centralizadas masivas.
Reactores de antena
Tras su 2011 descubrimiento de partículas plasmónicas que emiten electrones de alta energía y de vida corta llamados «portadores calientes», Halas y Nordlander descubrieron en 2016 que los generadores de portadores calientes podrían combinarse con partículas catalíticas para producir «antenas-reactores» híbridos, donde una parte recolectaba energía de la luz y la otra parte usaba la energía para impulsar reacciones químicas con precisión quirúrgica.
Los investigadores, sus estudiantes y colaboradores han trabajado durante años para encontrar alternativas de metales no preciosos para las mitades de reactores de antena que recolectan energía y aceleran la reacción. El nuevo estudio es la culminación de ese trabajo. En él, Halas, Nordlander, el ex alumno de Rice Hossein Robatjazi, la ingeniera de Princeton Emily Carter y otros muestran que las partículas del reactor de antena hechas de cobre y hierro son altamente eficientes para convertir el amoníaco. La pieza de cobre, colectora de energía de las partículas, captura la energía de la luz visible.
“En ausencia de luz, el catalizador de cobre-hierro exhibió una reactividad aproximadamente 10 veces menor que los catalizadores de cobre-rutenio, lo cual no es sorprendente dado que el rutenio es un mejor termocatalizador para esta reacción”, dijo Robatjazi, ahora científico jefe de Syzygy Plasmonics, con sede en Houston. “Bajo iluminación, el cobre-hierro mostró eficiencias y reactividades similares y comparables a las del cobre-rutenio.”
Syzygy obtuvo la licencia de la tecnología de reactor de antena de Rice, y el estudio incluyó pruebas ampliadas del catalizador en los reactores alimentados por LED disponibles comercialmente de la compañía. En pruebas de laboratorio en Rice, los catalizadores de cobre y hierro se habían iluminado con láser. Las pruebas de Syzygy mostraron que los catalizadores mantuvieron su eficiencia bajo iluminación LED y en una escala 500 veces mayor que en la configuración del laboratorio.
“Este es el primer informe en la literatura científica que muestra que la fotocatálisis con LED puede producir cantidades de gas hidrógeno a partir de amoníaco en escala de gramos”, dijo Halas. “Esto abre la puerta para reemplazar por completo los metales preciosos en la fotocatálisis plasmónica”.
Los autores creen que, dado su potencial para reducir significativamente las emisiones de carbono del sector químico, los fotocatalizadores de reactores de antena plasmónica merecen más estudios.
“Estos resultados son una gran motivación. Sugieren que es probable que se puedan usar otras combinaciones de metales abundantes como catalizadores rentables para una amplia gama de reacciones químicas”, dijo Carter.
