Un’importante evoluzione nel metodo SMR (Steam Methane Reforming) per la chimica verde dei combustibili.
L’idrogeno potrebbe svolgere un ruolo chiave nella transizione verso un ecosistema energetico sostenibile, ma il principale ostacolo è rappresentato dal gas serra causato dall’attuale processo produttivo di oltre la metà dell’H₂ globale.
I ricercatori della Rice University, un ateneo statunitense con sede a Houston, hanno sviluppato un catalizzatore che potrebbe rendere il reforming del metano tramite vapore completamente privo di emissioni usando la luce anziché il calore per guidare la reazione.
Applicare calore su scala industriale fa aumentare la temperatura dei grandi recipienti negli impianti chimici, ma richiede un enorme dispendio di energia. I catalizzatori possono accelerare la trasformazione senza reagire loro stessi.
Il nuovo fotocatalizzatore rame-rodio permette la scomposizione di metano e vapore acqueo in idrogeno e monossido di carbonio quando è esposto ad una specifica lunghezza d’onda della luce, senza calore esterno, grazie ad una struttura antenna-reattore.
Il percorso di reazione SMR sfrutta la scoperta del 2011 dei laboratori di Halas e Nordlander alla Rice che ha dimostrato come l’esposizione delle nanoparticelle metalliche alla luce provochi l’eccitazione dei plasmoni, ossia oscillazioni collettive di elettroni. In pratica, il processo della fotocatalisi plasmonica genera elettroni e lacune ad alta energia (detti elettroni caldi) che possono essere trasferiti a molecole vicine.
I catalizzatori antenna-reattore non hanno bisogno di essere riscaldati, raccogliendo energia dalla luce ed inserendola esattamente dove serve.
Il dottorando Yigao Yuan, uno dei primi autori insieme a Halas e Nordlander dello studio pubblicato su Nature Catalysis il 1 novembre 2024, ha spiegato come i plasmoni assorbano luce in maniera davvero efficiente, costituendo la soluzione per sostituire la termocatalisi convenzionale.
Il nuovo sistema catalitico impiega nanoparticelle di rame come antenne, ma poiché la loro superficie plasmonica non si lega bene al metano, sono stati aggiunti atomi e cluster di rodio come siti reattivi, adoperando l’energia dei portatori caldi per alimentare la reazione SMR.
La ricerca documenta anche che la tecnologia antenna-reattore può superare la disattivazione del catalizzatore dovuta all’ossidazione avvalendosi dei portatori caldi per rimuovere le specie reattive dell’ossigeno ed i depositi di carbonio. La luce rigenera efficacemente il catalizzatore. Nordlander ha affermato che la chiave di questo ‘effetto straordinario è la distribuzione, sparsa ed irregolare, del rodio sulla superficie delle nanoparticelle.
Il reforming del metano a luce consente la generazione d’idrogeno su richiesta, un vantaggio fondamentale nella mobilità per stazioni di rifornimento e persino veicoli.
I codici Python per la simulazione EM ed i calcoli della distribuzione dei portatori caldi sono disponibili nel repository open-access Zenodo.
Naomi Halas (laureata in ingegneria, chimica e fisica) è la pioniera della nanofotonica e della plasmonica. La sua ricerca si concentra sull’interazione tra luce e nanoparticelle metalliche, con applicazioni in campi come la fotocatalisi, la medicina e la produzione di energia. Halas ha oltre 350 pubblicazioni scientifiche, detiene numerosi brevetti ed è membro dell’Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti.
Peter Nordlander è un fisico teorico noto per i suoi contributi alla plasmonica e alla fisica delle nanoparticelle. Ha sviluppato modelli teorici fondamentali per comprendere i plasmoni e la loro interazione con materiali e molecole che hanno aiutato a progettare fotocatalizzatori avanzati e dispositivi per la conversione di energia. Nordlander ha pubblicato più di 300 articoli e collabora con importanti laboratori internazionali.
Halas, Nordlander e colleghi hanno dimostrato l’efficacia dei catalizzatori antenna-reattore per ricavare etilene e gas di sintesi, la scissione dell’ammoniaca per ottenere idrogeno come combustibile e per la scomposizione di inquinanti come i prodotti chimici eterni e l’acido solfidrico.
Le ricerche in questo campo hanno fatto guadagnare ad Halas e Nordlander il prestigioso premio Eni Energy Transition Award 2022.
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Foto: Jeff Fitlow/Rice University
Grafica: Laboratorio Naomi Halas
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