Investigadores de la Universidad de Rice han desarrollado un catalizador que hace la reforma de metano con vapor (SMR) completamente libre de emisiones, utilizando luz en lugar de calor para activar la reacción.
El hidrógeno, un combustible limpio, potente y versátil, podría desempeñar un papel crucial en la transición hacia un sistema energético sostenible. Sin embargo, el proceso químico responsable de más de la mitad de la producción mundial de hidrógeno en la actualidad genera una cantidad considerable de emisiones de gases de efecto invernadero.
Investigadores de la Universidad de Rice han desarrollado un catalizador que podría hacer que la reforma de metano con vapor (SMR, por sus siglas en inglés) sea completamente libre de emisiones mediante el uso de luz en lugar de calor para impulsar la reacción. Este avance no solo podría reducir las emisiones, sino también extender la vida útil de los catalizadores en general, mejorando la eficiencia y reduciendo los costos en diversos procesos industriales que suelen sufrir de coquización, una acumulación de carbono que desactiva los catalizadores.
El nuevo fotocatalizador de cobre y rodio utiliza un diseño de antena-reactor que, al ser expuesto a una longitud de onda específica de luz, descompone el metano y el vapor de agua sin calefacción externa, produciendo hidrógeno y monóxido de carbono. Este último es un insumo valioso para la industria química y no representa un gas de efecto invernadero.
“Este es uno de nuestros descubrimientos más impactantes hasta la fecha, ya que ofrece una alternativa mejorada al que, posiblemente, sea el proceso químico más importante para la sociedad moderna”, afirmó Peter Nordlander, titular de la Cátedra Wiess y Profesor de Física y Astronomía, además de profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, y Ciencia e Ingeniería de Materiales y Nanoingeniería en Rice. “Hemos desarrollado una manera completamente nueva y mucho más sostenible de realizar la SMR”.
Nordlander y Naomi Halas, profesora en Rice y en Ingeniería Eléctrica e Informática, son los autores principales del estudio sobre la investigación, publicado en la revista Nature Catalysis.
Un enfoque fotocatalítico innovador
El nuevo camino de reacción para la SMR aprovecha el descubrimiento de 2011 realizado en los laboratorios de Halas y Nordlander en Rice: los plasmones, oscilaciones colectivas de electrones que ocurren cuando las nanopartículas de metal son expuestas a la luz, pueden emitir “portadores calientes” o electrones y huecos de alta energía que pueden impulsar reacciones químicas.
“Realizamos fotocatálisis plasmónica, ya que los plasmones son sumamente eficientes para absorber luz y pueden generar portadores muy energéticos que realizan la química que necesitamos de manera mucho más eficiente que la termo-catálisis convencional”, explicó Yigao Yuan, estudiante de doctorado en Rice y primer autor del estudio.
El sistema de catalizador utiliza nanopartículas de cobre como antenas recolectoras de energía. Sin embargo, dado que la superficie plasmónica de las nanopartículas de cobre no se une bien al metano, se añadieron átomos y grupos de rodio como sitios reactivos. Estos puntos de rodio permiten la adhesión de las moléculas de agua y metano a la superficie plasmónica, aprovechando la energía de los portadores calientes para alimentar la reacción SMR.
“Probamos muchos sistemas de catalizadores, pero este resultó ser el más efectivo”, afirmó Yuan.
Regeneración del catalizador: un avance hacia la durabilidad
La investigación también demuestra que la tecnología de antena-reactor puede superar la desactivación del catalizador debido a la oxidación y la coquización. Al emplear portadores calientes, se pueden eliminar especies de oxígeno y depósitos de carbono, lo que permite una regeneración efectiva del catalizador mediante luz. Nordlander señaló que la clave para este “efecto notable” fue la colocación ingeniosa del rodio, distribuido de manera escasa y desigual en la superficie de las nanopartículas.
Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se produce en instalaciones centralizadas, lo que requiere el transporte del gas hasta su punto de uso. En contraste, la SMR impulsada por luz permite una generación de hidrógeno bajo demanda, una ventaja clave para aplicaciones de movilidad, como estaciones de combustible de hidrógeno o incluso vehículos.
Este avance en fotocatálisis demuestra el potencial de la innovación en procesos industriales críticos, acercándonos a un futuro energético ambientalmente sostenible.
Vía rice.edu
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