光動力納米顆粒催化技術，或可有效減少化學工業碳足跡_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2020-01-14 17:14
編譯／雷鑫宇 審稿／西莫 責編／唐林芳
研究人員開發的光動力納米顆粒催化技術，可使氣化反應更加綠色，進而有效減少化學工業的碳足跡。
萊斯大學納米光子學實驗室主任Naomi Halas長期致力於光激活納米材料的研究。
《自然·能源》雜誌報道，美國萊斯大學（RU）、加州大學洛杉磯分校（UCLA）和加州大學聖芭芭拉分校（UCSB）的研究人員成功製造了一種光動力納米顆粒，它可以減少化學工業的碳足跡。
這種微粒是一種“點綴”着單個釕原子的微小銅球，是合成氣（syngas）綠色工藝的關鍵組分。合成氣是一種具有重要價值的化學原料，主要由一氧化碳和氫氣組成，可用於製造燃料、化肥等多種化工產品。
BCC Research在2017年的分析報告顯示，全球生產合成氣的工廠已有數百家，合成氣衍生產品的價值已超過460億美元。
合成氣是製備低碳烯烴等的原料。
RU研究人員Naomi Halas説：“製備合成氣的方法很多，其中甲烷乾式重整法已變得越來越重要。該方法使用的原料是兩種強效的温室氣體——甲烷和二氧化碳。”
催化劑是促進化學物質反應效果的材料。氣化廠通常使用蒸汽和催化劑分解碳氫化合物。氫原子配對形成氫氣，碳原子和氧原子結合形成一氧化碳。在乾式重整法中，氧原子來自二氧化碳，而非蒸汽。
論文作者、RU納米光子學實驗室（LANP）博士後研究員Linan Zhou解釋説：“然而，乾式轉化法對工業領域的吸引力很低，它比蒸汽轉化法需求的温度和能量高得多。”
多年來，Halas長期致力於光激活納米粒子的研究，旨在將能量精確注入化學反應中。
2011年，Halas團隊證實光動力納米粒子可以增加光照射金屬時產生的短壽命高能電子——“熱載流子”的數量。
2016年，Halas等展示了第一批使用熱載流子驅動催化反應的“天線反應器”。其中一種銅-釕天線反應器，可利用氨製造氫。
Zhou介紹道，乾式重整合成氣催化劑使用了類似設計，但他們需要將釕原子數目縮減到一個。他説：“高效率對反應固然重要，但穩定性更加重要。如果你告訴業內人士‘我有一種非常有效的催化劑’。他們往往會反問你‘這種催化劑的壽命是多長？’。”
這個問題對生產商來講非常重要，大多數氣化反應催化劑都很容易因為積碳效應而失活。Zhou説：“他們不可能每天都去更換催化劑。對廠家而言，催化劑壽命當然是越長越好。”
Zhou等通過分離碳氫分離的活性釕位點，降低了碳原子相互反應生成焦炭的幾率，並提高了它們與氧反應形成一氧化碳的可能性。
然而，想提高穩定性，單靠單個釕原子還是不夠的。Zhou等繼續加入了熱電子。
根據實驗結果和理論分析，研究人員認為，熱電子會迫使氫原子離開反應器表面。而當氫原子離開時，它更有可能形成氫分子。此外，熱電子還可以降低氫和氧反應的可能性，轉而讓氧與碳發生反應。這就是熱電子控制能抑制催化劑積碳的原因。
Halas認為，該研究有望為“可持續、光驅動、低温甲烷轉化反應奠定基礎”。她説：“除合成氣之外，單原子天線反應器的設計還可以為其他節能型催化劑所借鑑。”
期刊來源：《自然·能源》
期刊編號：2058-7546
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https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/ru-ggg011020.php
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