莱斯大学纳米光子学试验室主任Naomi Halas长时间致力于光激活纳米资料的研讨。

《天然·动力》杂志报导,美国莱斯大学、加州大学洛杉矶分校和加州大学圣芭芭拉分校的研讨人员成功制作了一种光动力纳米颗粒,它能够削减化学工业的碳脚印。

这种微粒是一种“装点”着单个钌原子的细小铜球,是合成气绿色工艺的要害组分。合成气是一种具有重要价值的化学质料,主要由一氧化碳和氢气组成,可用于制作燃料、化肥等多种化工产品。BCC Research在2017年的剖析陈述显现,全球出产合成气的工厂已有数百家,合成气衍出产品的价值已超越460亿美元。RU研讨人员Naomi Halas说:“制备合成气的办法许多,其间甲烷干式重整法已变得越来越重要。该办法运用的质料是两种强效的温室气体——甲烷和二氧化碳。”

催化剂是促进化学物质反响作用的资料。气化厂一般运用蒸汽和催化剂分化碳氢化合物。氢原子配对构成氢气,碳原子和氧原子结合构成一氧化碳。在干式重整法中,氧原子来自二氧化碳,而非蒸汽。论文作者、RU纳米光子学试验室博士后研讨员Linan Zhou解说说:“但是,干式转化法对工业范畴的吸引力很低,它比蒸汽转化法需求的温度和能量高得多。”

多年来,Halas长时间致力于光激活纳米粒子的研讨,旨在将能量准确注入化学反响中。2011年,Halas团队证明光动力纳米粒子能够添加光照耀金属时发作的短寿数高能电子——“热载流子”的数量。2016年,Halas等展现了第一批运用热载流子驱动催化反响的“天线反响器”。其间一种铜-钌天线反响器,可利用氨制作氢。Zhou介绍道,干式重整合成气催化剂运用了相似规划,但他们需要将钌原子数目缩减到一个。他说:“高效率对反响当然重要,但稳定性愈加重要。假如你告知业内人士‘我有一种十分有用的催化剂’。他们往往会反诘你‘这种催化剂的寿数是多长?’。”这个问题对出产商来讲十分重要,大多数气化反响催化剂都很简单由于积碳效应而失活。Zhou说:“他们不或许每天都去替换催化剂。对厂家而言,催化剂寿数当然是越长越好。”

Zhou等经过别离碳氢别离的活性钌位点,下降了碳原子彼此反响生成焦炭的几率,并进步了它们与氧反响构成一氧化碳的或许性。但是,想进步稳定性,单靠单个钌原子仍是不行的。Zhou等继续加入了热电子。依据试验成果和理论剖析,研讨人员认为,热电子会迫使氢原子脱离反响器外表。而当氢原子脱离时,它更有或许构成氢分子。此外,热电子还能够下降氢和氧反响的或许性,转而让氧与碳发作反响。这便是热电子操控能按捺催化剂积碳的原因。Halas认为,该研讨有望为“可继续、光驱动、低温甲烷转化反响奠定根底”。她说:“除合成气之外,单原子天线反响器的规划还能够为其他节能型催化剂所学习。”

期刊编号:2058-7546

原文链接:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/ru-ggg011020.php

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