Gerar gás hidrogênio em um processo de uma etapa

movido a luz que produz energia de hidrogênio a partir de gás pungente (um gás com o odor inconfundível de ovos podres) em um processo de uma etapa

Osulfeto de hidrogênio, famoso por seu aroma de ovos podres, é conhecido por ser altamente venenoso e corrosivoespecialmente em aplicações de águas residuais. As plantas petroquímicas e outras indústrias produzem milhares de toneladas desse gás todos os anos como subproduto de vários processos que separam o enxofre do petróleo, gás natural, carvão e outros produtos.

Agora, engenheiros e cientistas da Rice University criaram uma nova maneira para essas indústrias petroquímicas transformarem o gás nocivo em gás hidrogênio de “alta demanda”. A engenheira de arroz, física e química Naomi Halas e a equipe criaram um método que deriva energia da luz e emprega nanopartículas de ouro para converter sulfeto de hidrogênio e enxofre em uma única etapa. Em comparação, as refinarias de tecnologia catalítica atuais funcionam por meio de um método conhecido como processo Claus, que requer várias etapas. Além disso, produz enxofre, mas não hidrogênio, que é convertido em água.

“As emissões de sulfeto de hidrogênio podem resultar em multas pesadas para a indústria, mas a remediação também é muito cara”, disse Halas, um pioneiro da nanofotônica cujo laboratório passou anos desenvolvendo nanocatalisadores ativados por luz comercialmente viáveis, em um comunicado.

“A frase ‘game-changer’ é usada em demasia, mas neste caso, ela se aplica.

A implementação da fotocatálise plasmônica deve ser muito mais barata do que a remediação tradicional, e tem o potencial adicional de transformar um fardo caro em uma mercadoria cada vez mais valiosa.” Segundo Halas, o processo é econômico; poderia ter baixos custos de implementação e alta eficiência para limpar o sulfeto de hidrogênio não industrial de fontes como gás de esgoto e dejetos de animais.

A equipe pontilhava a superfície dos grãos de pó de dióxido de silício com pequenas “ilhas” de ouro, de acordo com o comunicado. Cada ilha era uma nanopartícula de ouro que interage com um comprimento de onda de luz visível.

As reações criaram “portadores quentes”, elétrons de alta energia e vida curta que podem conduzir a catálise.

Em uma configuração de laboratório, a equipe demonstrou que um banco de luzes LED poderia produzir “fotocatálise de portadora quente” e converter H2S diretamente em gás H2 e enxofre. “Dado que requer apenas luz visível e sem aquecimento externo, o processo deve ser relativamente simples de escalar usando energia solar renovável ou iluminação LED de estado sólido altamente eficiente”, acrescentou Halas.

Suas descobertas foram publicadas na revista ACS Energy Letters da American Chemical Society.

Luz como um gatilho

A equipe foi liderada pelo Professor Associado Xue Jun Min, Dr. Wang Xiaopeng e Dr. Vincent Lee Wee Siang, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NUS College of Design and Engineering (NUS CDE). A descoberta que eles fizeram foi que a luz poderia desencadear um novo mecanismo em um material catalítico usado na eletrólise da água. “Descobrimos que o centro redox para a reação eletrocatalítica é alternado entre metal e oxigênio, acionado pela luz”, disse Jun Min.

“Isso melhora amplamente a eficiência da eletrólise da água”. Tudo começou com uma queda de energia acidental das luzes do teto no laboratório de Jun Min há quase três anos. Naquela época, as luzes do teto do laboratório de pesquisa de Jun Min ficavam normalmente acesas por 24 horas. Quando as luzes se apagaram devido a uma falha de energia, houve a oportunidade de observar algo que os cientistas nunca haviam testemunhado antes. Quando os pesquisadores retornaram no dia seguinte, descobriram que a escuridão havia influenciado o desempenho de um material à base de oxihidróxido de níquel no experimento de eletrólise da água. Tinha caído drasticamente.

“Essa queda no desempenho, ninguém nunca notou isso antes, porque ninguém nunca fez o experimento no escuro”, disse Jun Min.

“Além disso, a literatura diz que tal material não deve ser sensível à luz; a luz não deve ter nenhum efeito em suas propriedades”. Jun Min e sua equipe sabiam que haviam tropeçado em algo significativo e embarcaram em vários experimentos repetidos para testar suas novas teorias. Eles acabaram tendo dados suficientes para publicar um artigo. Agora, a equipe está trabalhando em novas maneiras de melhorar os processos industriais para gerar hidrogênio , como tornar as células que contêm água transparentes, de modo a introduzir luz no processo de separação da água.

Abstrato

As nanoestruturas metálicas plasmônicas têm despertado um interesse cada vez maior como fotocatalisadores heterogêneos, facilitando a ativação de ligações químicas e superando as altas demandas de energia da catálise térmica convencional. Aqui relatamos a fotocatálise plasmônica altamente eficiente da decomposição direta de sulfeto de hidrogênio em hidrogênio e enxofre, uma alternativa ao processo industrial Claus. Sob iluminação de luz visível e sem fonte de calor externa, pode ser observado um aumento de reatividade de até 20 vezes em comparação com a termocatálise. A reatividade substancialmente aumentada pode ser atribuída a transportadores quentes mediados por plasmon (HCs) que modificam a energia da reação. Com uma mudança na etapa determinante da velocidade da reação, uma nova via de reação é possibilitada com uma barreira de reação aparente mais baixa.