气化变绿：低温光催化剂削减合成气的碳足迹

赖斯大学的研究人员通过将活性位点缩小到钌（蓝色）的单个原子来增强它们的低能量铜 - 钌合成气光催化剂的稳定性。

米饭大学工程师创造了一种光源纳米粒子，可能会缩小化学工业主要部分的碳足迹。

用钌的单一原子点缀的粒子，是钌的单个原子，是用于制造合成气的绿色工艺的关键组分，或用于制造燃料，肥料和许多其他产品的有价值的化学原料。大米，加州大学米饭，加州大学圣巴巴拉（UCSB）的研究人员描述了本周在自然能源的低能量，低温合成气生产过程。

“合成气可以在很多方面进行，但其中一个，甲烷干燥重整，越来越重要，因为化学输入是甲烷和二氧化碳，两个有效和有问题的温室气体，”水稻化学家和工程师Naomi Halas说：纸上的通讯作者。

纳米·纳米纳米纳米冬季实验室纳米哈拉是一名工程师和化学家，曾花费超过25年的开创性的光活性纳米材料。

合成气是一种可以由煤，生物质，天然气和其他来源制成的一氧化碳和氢气的混合物。根据BCC Research的2017年分析，它正在全球数百个气体化设备生产，并用于每年燃料和化学品价超过460亿美元。

催化剂，在其他化学物质之间进行反应的材料对气化至关重要。气化厂通常使用蒸汽和催化剂来分解烃。氢原子对形成氢气，并且碳原子与氧气以一氧化碳形式结合。在干燥重整方面，氧原子来自二氧化碳而不是蒸汽。然而，干燥的改革对工业并不有吸引力，因为它通常需要更高的温度和更多的能量，而不是基于蒸汽的方法，这是林安·南·纳米级研究员（LANP）的博士生研究员临安······州研究员。

指导LANP的Halas已经努力创建了用手术精度将能量插入化学反应的光活性纳米颗粒。2011年，她的团队表明它可以提高被称为“热载体”的短寿命，高能量电子的数量，当光线击打金属时，它们推出了使用热载体的几个“天线反应堆”中的第一个“天线反应器”驱动催化。

其中一种，一种用于使氨的氢气的铜和钌天线反应器是由Halas，周和同事的2018科学论文的主题。周表示，合成气催化剂使用类似的设计。在每个中，用钌岛点缀大约5-10纳米的铜球。对于氨催化剂，每个岛含有几十个钌原子，但周必须将这些缩小到一个原子以进行干重整催化剂。

林南省南京大学南京州大学实验室的博士后研究员设计了一种铜 - 钌光催化剂，可通过低能量，低温，干重过程制造合成气。

“高效率对这种反应很重要，但稳定性更为重要，”周说。“如果你告诉一个人的行业，你有一个非常有效的催化剂，他们会问，”它可以持续多久？“

周表示这个问题对生产者来说很重要，因为大多数气化催化剂都倾向于“焦化”，这是一种表面碳的积聚，最终使他们毫无用处。

“他们每天都不能改变催化剂，”周说。“他们想要持续的东西。”

通过分离碳的活性钌位点，其中碳的氢离解，周将碳原子彼此反应的碳原子的可能性降低以形成焦炭并增加它们与氧气反应形成一氧化碳的可能性。

“但单个原子群岛还不够，”他说。“对于稳定性，你需要单个原子和热电子。”

周表示，该团队的实验和理论研究指向热载体从反应器表面驱动氢气。

“当氢气迅速离开表面时，更有可能形成分子氢，”他说。“它还降低了氢气和氧气之间反应的可能性，并使氧气与碳反应。这就是你如何用热电子控制如何，以确保它不会形成可乐。“

哈拉表示，该研究可以为可持续，光驱动，低温，甲烷重整反应提供铺平的方式，以便按需生产氢气。“

“超越合成气，单个原子，天线反应器设计可用于为其他应用设计节能催化剂，”她说。

参考：“轻推动甲烷干重系与单一原子位点反应堆纤维催化剂”由林安周，约翰·马克马雷兹，约旦菲泽尔，赵张，王章，燕尾队，舒田，霍斯·罗布塔·齐，米山娄，梁良洞，卢克亨德森，菲利普克里斯托弗，艾米莉A.卡特，彼得·诺德兰德和纳米J.Halas，2012年1月6日，自然能源.DOI：
10.1038 / s41560-019-0517-9.

该技术已获得Bysyzygy Plasmonics，这是一家位于休斯顿的启动，其联合创始人包括HALAS和学习共同作者Peter Nordlander。

哈拉是米饭的斯坦利C. Moore电脑工程教授和化学，生物工程，物理学和天文学教授，和材料科学和纳米工程。Nordlander是Wiess椅子和物理学和天文教授，以及电气计算机工程教授，以及材料科学和纳米工程。

额外的共同作者包括Chao Zhang，Dayne Swearer，Shu Tian，Hossein Robatjazi，Minhan Lou，Liangliang Dong和Luke Henderson，所有米;约翰马克·玛蒂斯和艾米莉卡特（UCLA）;和约旦Finzel和菲利普·菲利普的UCSB。

该研究得到了Welch基金会，科学研究和国防部的空军办公室支持。