Un catalizador barato usa luz para convertir amoníaco en hidrógeno

Investigadores en Estados Unidos han diseñado un nanomaterial clave activado por luz que convierte de manera eficiente el amoniaco en hidrógeno de combustión limpia usando materiales de bajo coste.

El equipo del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice, la empresas Syzygy Plasmonics Inc. y el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente de la Universidad de Princeton presentan en la revista Science un catalizador escalable que sólo necesita la fuerza de la luz para convertir el amoniaco en combustible de hidrógeno de combustión limpia.

La investigación se produce después de que el gobierno de Estados Unidos y la industria hayan invertido en la creación de infraestructuras y mercados para el combustible de amoníaco líquido libre de carbono que no contribuya al calentamiento del planeta. El amoníaco líquido es fácil de transportar y contiene mucha energía, con un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno por molécula.

El nuevo catalizador rompe esas moléculas en gas hidrógeno, un combustible de combustión limpia, y en gas nitrógeno, el mayor componente de la atmósfera terrestre. Y, a diferencia de los catalizadores tradicionales, no requiere calor. En lugar de ello, aprovecha la energía de la luz, ya sea la luz solar o los LED de bajo consumo.

El ritmo de las reacciones químicas suele aumentar con la temperatura, y los productores de productos químicos llevan más de un siglo aprovechando esta circunstancia mediante la aplicación de calor a escala industrial. La quema de combustibles fósiles para elevar la temperatura de los grandes recipientes de reacción en cientos o miles de grados supone una enorme huella de carbono. Los productores químicos también gastan miles de millones de dólares cada año en termocatalizadores, materiales que no reaccionan pero que aceleran aún más las reacciones bajo un calentamiento intenso.

"Los metales de transición, como el hierro, suelen ser malos termocatalizadores --afirma en un comunicado la coautora del estudio, Naomi Halas, profesora de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice--. Este trabajo demuestra que pueden ser fotocatalizadores plasmónicos eficientes. También demuestra que la fotocatálisis puede realizarse eficazmente con fuentes de fotones LED de bajo coste".

"Este descubrimiento allana el camino hacia un hidrógeno sostenible y de bajo coste que podría producirse localmente en lugar de en enormes plantas centralizadas", añade Peter Nordlander, también coautor y catedrático y profesor de física y astronomía de la cátedra Wiess de Rice, y profesor de ingeniería eléctrica e informática, y de ciencia de los materiales y nanoingeniería.

Los mejores termocatalizadores se fabrican con platino y metales preciosos afines como el paladio, el rodio y el rutenio. Halas y Nordlander llevan años desarrollando nanopartículas metálicas activadas por la luz o plasmónicas. Las mejores también se fabrican con metales preciosos como la plata y el oro.

Tras su descubrimiento en 2011 de las partículas plasmónicas que emiten electrones de corta duración y alta energía llamados "portadores calientes", descubrieron en 2016 que los generadores de portadores calientes podían combinarse con partículas catalíticas para producir "antenas-reactores" híbridos, en los que una parte recogía la energía de la luz y la otra la utilizaba para impulsar reacciones químicas con precisión quirúrgica.

Halas, Nordlander, sus estudiantes y colaboradores han trabajado durante años en la búsqueda de alternativas de metales no preciosos para las mitades de los reactores de antena que recogen la energía y aceleran las reacciones. El nuevo estudio es la culminación de ese trabajo. En él, Halas, Nordlander, el exalumno y ahora profesor adjunto de química en Rice Hossein Robatjazi, la ingeniera y fisicoquímica de Princeton Emily Carter y otros demuestran que las partículas de los reactores de antena hechas de cobre y hierro son muy eficientes para convertir el amoniaco. La pieza de cobre de las partículas, que recoge la energía, capta la energía de la luz visible.

"En ausencia de luz, el catalizador de cobre-hierro presentaba una reactividad 300 veces inferior a la de los catalizadores de cobre-rutenio, lo que no es de extrañar, ya que el rutenio es un mejor termocatalizador para esta reacción --explica Robatjazi, ex alumno de doctorado del grupo de investigación de Halas y actual científico jefe de Syzygy Plasmonics--. Bajo iluminación, el cobre-hierro mostró eficiencias y reactividades similares y comparables a las del cobre-rutenio".

Syzygy tiene la licencia de la tecnología de reactores de antena de Rice, y el estudio incluyó pruebas a escala del catalizador en los reactores comerciales de la empresa, alimentados por LED. En las pruebas de laboratorio realizadas en Rice, los catalizadores de cobre y hierro se habían iluminado con láseres. Las pruebas de Syzygy demostraron que los catalizadores mantenían su eficacia con iluminación LED y a una escala 500 veces mayor que la del laboratorio.

"Este es el primer informe en la literatura científica que demuestra que la fotocatálisis con LEDs puede producir cantidades de hidrógeno gaseoso a escala de gramos a partir de amoniaco --destaca Halas--. Esto abre la puerta a sustituir por completo los metales preciosos en la fotocatálisis plasmónica".

"Dado su potencial para reducir significativamente las emisiones de carbono del sector químico, los fotocatalizadores plasmónicos de antena-reactor merecen un estudio más profundo --añade Carter--. Estos resultados son una gran motivación. Sugieren que es probable que otras combinaciones de metales abundantes puedan utilizarse como catalizadores rentables para una amplia gama de reacciones químicas".