Revolucionarni fotokatalizator za zeleni vodik i amonijak

Fundamentalni iskorak u kemiji obećava korištenje amonijaka kao čistog goriva i mogao bi pomoći u dekarbonizaciji cijele kemijske industrije u tom procesu. Istraživači Sveučilišta Rice stvorili su mali uređaj koji se temelji na LED tehnologiji koji jednostavno pretvara amonijak u vodik. Koristi svjetlosni katalizator koji je jednako učinkovit kao i skupi toplinski katalizatori kojima je za rad potrebna temperatura od tisuću stupnjeva, a napravljen je od jeftinog bakra i željeza.

Vodik je vrlo obećavajuće čisto gorivo koje se može sagorjeti ili pretvoriti izravno u električnu energiju putem gorive ćelije. Međutim, on je skup i težak za rukovanje, budući da se radi o super-laganom plinu koji treba biti komprimiran na 700 atmosfera, ili kriogeno ohlađen blizu apsolutne nule da dostigne svoje tekuće stanje.

Poznato je da je amonijak bolji nosač vodika od samog plinovitog vodika. Svaki od njegovih atoma dušika veže tri atoma vodika, i dok je kaustičan i izuzetno opasan u visokim koncentracijama, stabilna je tekućina na atmosferskim temperaturama i pritiscima, a njegova široka upotreba u mnogim industrijama znači da ljudi imaju mnogo iskustva u sigurnom rukovanju njime u velikom rasponu uvjeta.

Amonijak može izuzetno dobro prenositi vodik, ali ako želite koristiti taj vodik, morate ga "zdrobiti" kako biste izvukli vodik i oslobodili bezopasni dušik natrag u atmosferu. To je bilo teško iz dva glavna razloga. Prvo, reakcija je endotermna, pa se većina drobljenja amonijaka provodi u velikim postrojenjima koja rade na temperaturama od najmanje 650-1000 °C. Drugo, toplinski katalizatori potrebni za operacije drobljenja obično su metali platinske skupine poput rutenija koji su rijetki i skupi.

Iz tog razloga jasno je zbog  čega je znanstveni tim Sveučilišta Rice uzbuđen što je otkrio kompaktan i učinkovit način za kataliziranje ove reakcije drobljenja na sobnoj temperaturi, koristeći samo bakar i željezo, kao što možete vidjeti u ovom videu.

Sve se svodi fotokatalitiku. Ovaj tim radi više od 30 godina na razvoju svojih "antena-reaktor" plazmoničkih fotokatalizatora. To su nanočestice katalizatora, prošarane malim grudicama materijala "antene" koji je dizajniran da poveća sposobnost katalizatora da apsorbira svjetlost. Ispravno podešene, ove čestice antenskog reaktora uzimaju energiju iz ambijentalnog svjetla – bilo da je riječ o sunčevoj svjetlosti ili svjetlosti niskoenergetskih LED dioda i izbacuju kratkotrajne "vruće elektrone" s dovoljno energije za pokretanje učinkovite kemijske reakcije čak i na sobnoj temperaturi.

Ovaj fotokatalizator koji razdvaja amonijak koristi željezo kao svoj reaktor, a bakar kao antenu za prikupljanje svjetla, oba jeftina i bogata metala, za razliku od tipičnih toplinskih katalizatora od bakra i rutenija koji se danas koriste. U laboratorijskom testiranju spoj bakra i željeza je pod osvjetljenjem  pokazao učinkovitost i reaktivnost usporedivu s onima bakra i rutenija.

Početni testovi provedeni su u maloj eksperimentalnoj postavi korištenjem svjetlosti lasera. Koautorica studije Naomi Halas također je suosnivačica Syzygy Plasmonicsa, tvrtke osnovane da komercijalizira rad Riceovog tima, a Syzygy je uspio licencirati ovaj katalizator i izgraditi testnu opremu koja je nekih 500 puta veća, koristeći učinkovitu LED rasvjetu umjesto lasera, pri čemu je katalizator ostao jednako učinkovit.

Sve ovo bi trebalo katalizator od bakra i željeza trebalo učiniti mnogo jeftinijim i lakšim za izdvajanje vodika iz amonijaka bez potrebe za toplinom, tako da će ujedno dovesti do uštede energije i smanjenja emisija.

Otkriće bi u konačnici moglo dovesti do uređaja za razbijanje amonijaka koji je malen, pouzdan, lagan i hladan umjesto da radi na stotinama stupnjeva. Syzygy kaže da je njihov početni proizvod Rigel Photocatlytic Reactor veličine male perilice rublja i da dnevno obrađuje oko tonu amonijaka, ovisno o specifičnoj reakciji koju pokreće.

Koncept bi se mogao dovesti na na električni teretni brod, pretvarajući amonijak koji se jednostavno skladišti u vodik koji se lako koristi baš tamo gdje je potreban. To bi samo po sebi moglo biti apsolutno revolucionarno, radikalno povećavajući opseg čistog prijevoza tereta i putnika.

Možda bi se koncept mogao pokazati dovoljno malenim i laganim da bude relevantan i u zrakoplovstvu, gdje bi gustoća energije vodika pohranjenog u amonijaku mogla dovesti do dometa koji je trenutno nedostižan bez mlaznog goriva, a možda bi na kraju mogao biti dovoljno malen da se stavi u električni automobil koji možete natočiti amonijakom na benzinskoj postaji.

"U ovom radu pokazujemo da je kemija temeljena na LED-u zapravo izvediva, i to u velikom obimu. Može doprinijeti kemiji na industrijskoj razini i industrijski važnim reakcijama", dodaje Halas i navodi da je Syzygy Plasmonics već pokrenuo ovu reakciju u terenskim uvjetima i očekuje da će ti reaktori za fotokatalitičko razbijanje amonijaka biti komercijalno dostupni 2023. godine.

Hoće li ovo doista pokrenuti "vodikovu ekonomiju" i pretvoriti svijet u puno ljepše i zelenije  mjesto za život mogli bismo saznati vrlo brzo.