Un nuevo catalizador puede convertir un subproducto de gas maloliente en una fuente de ingresos

Oct 10, 2023

Por Universidad Rice3 de diciembre de 2022

Otro beneficio es que la luz es la única fuente de energía utilizada en el proceso de un solo paso.

Ingenieros y científicos de la Universidad Rice han desarrollado una dulce manera para que las refinerías petroquímicas transformen un subproducto maloliente en dinero en efectivo.

El gas de sulfuro de hidrógeno tiene un olor distintivo a huevos podridos. Con frecuencia emana de alcantarillas, corrales y vertederos, pero es especialmente problemático para refinerías, plantas petroquímicas y otras industrias. Miles de toneladas de este gas nocivo se producen anualmente como subproducto de procesos que eliminan el azufre del petróleo, el gas natural, el carbón y otros productos en estos lugares.

Naomi Halas, ingeniera, física y química de Rice, y sus colegas describen un proceso que utiliza nanopartículas de oro para convertir el sulfuro de hidrógeno en azufre y gas hidrógeno de alta demanda en un solo paso en un estudio publicado recientemente en la revista ACS Energy Letters. . Aún mejor, el proceso de un solo paso solo necesita luz como fuente de energía. Los coautores del estudio incluyen a Hossein Robatjazi de Syzygy Plasmonics, Emily Carter de la Universidad de Princeton y Peter Nordlander de la Universidad Rice.

Una ilustración del proceso de remediación de un solo paso impulsado por luz para el gas de sulfuro de hidrógeno hecho posible gracias a un fotocatalizador de oro creado en la Universidad Rice. Crédito: Grupo Halas/Universidad Rice

"Las emisiones de sulfuro de hidrógeno pueden generar fuertes multas para la industria, pero su remediación también es muy costosa", dijo Halas, un pionero de la nanofotónica cuyo laboratorio ha pasado años desarrollando nanocatalizadores activados por luz comercialmente viables. “La frase 'cambio de juego' se usa en exceso, pero en este caso se aplica. La implementación de la fotocatálisis plasmónica debería ser mucho menos costosa que la remediación tradicional y tiene el potencial adicional de transformar una carga costosa en un bien cada vez más valioso”.

Naomi Halas, de la Universidad Rice, es ingeniera, química, física y pionera en el campo de los nanomateriales activados por la luz. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad Rice

Each molecule of hydrogen sulfide gas (H2S) contains two hydrogen atoms and one sulfur atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo. Cada molécula de gas hidrógeno de combustión limpia (H2), el principal producto de la economía del hidrógeno, contiene dos átomos de hidrógeno. En el nuevo estudio, el equipo de Halas roció la superficie de granos de polvo de dióxido de silicio con pequeñas islas de oro. Cada isla era una nanopartícula de oro de 10 milmillonésimas de metro de tamaño que interactuaba fuertemente con una determinada longitud de onda de luz visible. Estas reacciones plasmónicas crean "portadores calientes", que son electrones de alta energía y de vida corta capaces de impulsar la catálisis.

In the study, Halas and co-authors used a laboratory setup and showed a bank of LED lights could produce hot carrier photocatalysis and efficiently convert H2S directly into H2 gas and sulfur. That’s a stark contrast to the established catalytic technology refineries use to break down hydrogen sulfide. Known as the Claus process, it produces sulfur but no hydrogen, which it instead converts into water. The Claus process also requires multiple steps, including some that require combustion chambers heated to about 1,500 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit.

La tecnología de remediación de sulfuro de hidrógeno plasmónico ha sido autorizada por Syzygy Plasmonics, una nueva empresa con sede en Houston con más de 60 empleados, cuyos cofundadores incluyen a Halas y Nordlander.

Halas dijo que el proceso de remediación podría terminar teniendo costos de implementación lo suficientemente bajos y una eficiencia lo suficientemente alta como para resultar económico para limpiar el sulfuro de hidrógeno no industrial de fuentes como el gas de alcantarillado y los desechos animales.

"Dado que sólo requiere luz visible y no calefacción externa, el proceso debería ser relativamente sencillo de ampliar utilizando energía solar renovable o iluminación LED de estado sólido altamente eficiente", dijo.

Referencia: “Descomposición directa de H2S mediante fotocatálisis plasmónica: remediación eficiente más producción sostenible de hidrógeno” por Minghe Lou, Junwei Lucas Bao, Linan Zhou, Gopal Narmada Naidu, Hossein Robatjazi, Aaron I. Bayles, Henry O. Everitt, Peter Nordlander, Emily A Carter y Naomi J. Halas, 30 de septiembre de 2022, ACS Energy Letters.DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01755

El estudio fue financiado por la Fundación Welch, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa.

El 3 de octubre, Halas y Nordlander recibieron el prestigioso Premio Eni Energy Transition 2022 en reconocimiento a sus esfuerzos para desarrollar catalizadores eficientes impulsados ​​por luz para la producción de hidrógeno a escala industrial.

Halas es profesor Stanley C. Moore de ingeniería eléctrica e informática de Rice y profesor de química, bioingeniería, física y astronomía, y ciencia de materiales y nanoingeniería. Nordlander es catedrático Wiess de Rice y profesor de Física y Astronomía, y profesor de ingeniería eléctrica e informática, y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Carter es profesor Gerhard R. Andlinger de Energía y Medio Ambiente de Princeton en el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente, asesor estratégico principal para ciencias de la sostenibilidad en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y de matemáticas aplicadas y computacionales. Robatjazi es científico jefe de Syzygy Plasmonics y profesor adjunto de química en Rice.