低温光催化剂可以大幅度降低合成气的碳足迹
莱斯大学的工程师们已经发明了一种以光为动力的纳米颗粒，它可以缩小化学工业主要部门的碳足迹。
莱斯大学的研究人员通过将活性位点缩小为单个钌原子(蓝色)，提高了它们的低能铜钌合成气光催化剂的稳定性。(约翰·马克·马泰雷斯/加州大学洛杉矶分校)
这种微粒是一种微小的铜球，上面点缀着单个的钌原子，它是制造合成气(syngas)绿色工艺的关键组成部分。合成气是一种有价值的化学原料，用于制造燃料、化肥和许多其他产品。来自莱斯、加州大学洛杉矶分校和加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的研究人员本周在《自然能源》杂志上描述了低能量、低温合成气生产过程。
“合成气有很多制造方法，但其中之一，甲烷干法重整，正变得越来越重要，因为化学原料是甲烷和二氧化碳，这两种强效的、有问题的温室气体。
合成气是一种一氧化碳和氢气的混合物，可以由煤、生物质、天然气和其他来源制成。根据BCC Research 2017年的一项分析，it’由全球数百家气化工厂生产，每年用于制造价值超过460亿美元的燃料和化学品。
娜奥米·哈拉斯是莱斯大学6037s纳米光电子实验室的主任，也是一位工程师和化学家。(杰夫·菲特洛/莱斯大学)
催化剂是促进其他化学物质之间反应的材料，是气化的关键。气化厂通常使用蒸汽和催化剂来分解碳氢化合物。氢原子配对形成氢气，碳原子与氧结合形成一氧化碳。在干式重整中，氧原子来自二氧化碳而不是蒸汽。但是这项研究的第一作者，Rice’s纳米光电子实验室(LANP)的博士后研究员周立南(音译)说，干式转化hasn’t对工业很有吸引力，因为它通常比蒸汽法需要更高的温度和更多的能量。
多年来，指导LANP的哈拉斯一直致力于创造光激活纳米粒子，将能量精确地注入化学反应中。2011年，她的团队证明了它可以增加被称为“hot carriers”的短命高能电子的数量，这种电子是光撞击金属时产生的。2016年，他们推出了首个使用热载流子来驱动催化的“antenna reactors”。
其中一个是铜和钌天线反应堆，用于从氨中制造氢，是哈拉斯、周和同事们2018年发表的一篇科学论文的主题。周说，合成气催化剂使用了类似的设计。每个铜球直径约5-10纳米，上面点缀着钌岛。在氨催化剂中，每个岛都含有几十个钌原子，但周必须将这些原子压缩成一个原子，才能得到干式重整催化剂。
“高效对这个反应很重要，但更重要的是稳定，”周说。如果你告诉一个业内人士你有一种非常有效的催化剂，他们会问，它能持续多久
周说，这个问题对生产商来说很重要，因为大多数气化催化剂都容易产生“焦化，”是一种表面积碳，最终会使它们失效。
他们不可能每天更换催化剂，周说。他们想要耐用的东西
莱斯大学6037s纳米光子学实验室博士后研究员周立南设计了一种铜钌光催化剂，用于通过低能量、低温、干式重整过程制造合成气。
(杰夫·菲特洛/莱斯大学)
通过分离碳与氢分离的活性钌位点，周减少了碳原子相互反应生成焦炭的机会，并增加了它们与氧反应生成一氧化碳的可能性。
但单原子岛屿是不够的，他说。为了稳定，你需要单原子和热电子
周说，团队’s的实验和理论研究表明，热载体将氢气从反应堆表面赶走。
他说，当氢迅速离开表面时，它更有可能形成氢分子。它还降低了氢和氧发生反应的可能性，让氧和碳发生反应。那就是你怎样用热电子来控制以确保它不与焦炭反应
哈勒斯说，这项研究可以为“在需要时进行可持续的、光驱动的、低温的、甲烷转化反应来生产氢铺平道路
她说，除了合成气，单原子天线反应堆的设计还可以用于设计其他应用的节能催化剂。
这项技术已经得到了Syzygy Plasmonics公司的许可。Syzygy Plasmonics是一家总部位于休斯顿的初创公司，其联合创始人包括哈拉斯和研究报告的合著者彼得·诺德兰德(Peter Nordlander)。
Halas是rice’的Stanley C. Moore电子和计算机工程教授，化学、生物工程、物理和天文学、材料科学和纳米工程教授。Nordlander是Wiess的主席和物理和天文学教授，以及电子和计算机工程、材料科学和纳米工程的教授。
其他合著者包括:张超、戴恩·斯威勒、舒天、侯赛因·罗巴贾兹、娄敏汉、董亮亮和卢克·亨德森，《所有的米》;约翰·马克·马德雷兹和艾米丽·卡特，都来自加州大学洛杉矶分校;UCSB的乔丹·芬泽尔和菲利普·克里斯托弗。
这项研究得到了韦尔奇基金会、美国空军科学研究办公室和国防部的支持。
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