Un nuevo catalizador puede convertir el sulfuro de hidrógeno maloliente en una fuente de ingresos: un catalizador alimentado por luz produce energía de hidrógeno a partir de gas picante en un proceso de un solo paso

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Una ilustración del proceso de remediación de un solo paso alimentado por luz para el gas de sulfuro de hidrógeno hecho posible por un fotocatalizador de oro creado en la Universidad de Rice. (Imagen cortesía de Halas Group/Rice University)

Abstracto:
Los ingenieros y científicos de la Universidad de Rice han creado una manera dulce para que las refinerías petroquímicas conviertan un subproducto maloliente en dinero en efectivo.

Un nuevo catalizador puede convertir el sulfuro de hidrógeno maloliente en una fuente de ingresos

Houston, Texas | Publicado el 3 de noviembre de 2022

El gas de sulfuro de hidrógeno tiene el aroma inconfundible de los huevos podridos. A menudo emana de alcantarillas, depósitos y rellenos sanitarios, pero es particularmente problemático para las refinerías, las plantas petroquímicas y otras industrias, que producen miles de toneladas del gas nocivo cada año como subproducto de los procesos que eliminan el azufre del petróleo, el gas natural, el carbón y otros productos

En un estudio publicado en la revista de alto impacto ACS Energy Letters de la American Chemical Society, la ingeniera, física y química Naomi Halas y sus colaboradores describen un método que utiliza nanopartículas de oro para convertir el sulfuro de hidrógeno en gas de hidrógeno y azufre de alta demanda en un solo paso. . Mejor aún, el proceso de un solo paso obtiene toda su energía de la luz. Los coautores del estudio incluyen a Peter Nordlander de Rice, Emily Carter de la Universidad de Princeton y Hossein Robatjazi de Syzygy Plasmonics.

“Las emisiones de sulfuro de hidrógeno pueden resultar en fuertes multas para la industria, pero la remediación también es muy costosa”, dijo Halas, un pionero en 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 producto cada vez más valioso”.

Cada molécula de gas de sulfuro de hidrógeno (H2S) contiene un par de átomos de hidrógeno y un átomo de azufre. Cada molécula de gas hidrógeno de combustión limpia (H2), el producto básico de la economía del hidrógeno, contiene un par de átomos de hidrógeno. En el nuevo estudio, el equipo de Halas punteó la superficie de los granos de polvo de dióxido de silicio con pequeñas islas de oro. Cada isla era una nanopartícula de oro de unas 10 mil millonésimas de metro de diámetro que interactuaba fuertemente con una longitud de onda específica de luz visible. Estas reacciones plasmónicas crean "portadores calientes", electrones de alta energía y de vida corta que pueden impulsar la catálisis.

En el estudio, Halas y los coautores utilizaron una configuración de laboratorio y demostraron que un banco de luces LED podía producir fotocatálisis de portadores calientes y convertir de manera eficiente el H2S directamente en gas H2 y azufre. Eso es un marcado contraste con la tecnología catalítica establecida que usan las refinerías para descomponer el sulfuro de hidrógeno. Conocido como el proceso Claus, produce azufre pero no hidrógeno, que en cambio convierte en agua. El proceso Claus también requiere varios pasos, incluidos algunos que requieren cámaras de combustión calentadas a unos 1,500 grados Fahrenheit.

La tecnología de remediación de sulfuro de hidrógeno plasmónico ha sido autorizada por Syzygy Plasmonics, una empresa nueva 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 volverse económico para limpiar el sulfuro de hidrógeno no industrial de fuentes como el gas de alcantarillado y los desechos animales.

“Dado que solo requiere luz visible y ningún calentamiento externo, el proceso debería ser relativamente sencillo de ampliar utilizando energía solar renovable o iluminación LED de estado sólido altamente eficiente”, dijo.

El 3 de octubre, Halas y Nordlander recibieron el prestigioso premio Eni Energy Transition Award 2022 en reconocimiento a sus esfuerzos por desarrollar catalizadores eficientes alimentados 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 titular de la Cátedra Wiess de Rice y profesor de física y astronomía, y profesor de ingeniería eléctrica e informática, y ciencia de los materiales y nanoingeniería. Carter es profesor emérito Gerhard R. Andlinger de Princeton en Energía y Medio Ambiente y profesor emérito de ingeniería mecánica y aeroespacial y matemáticas aplicadas y computacionales. Robatjazi es científico jefe en Syzygy Plasmonics y profesor adjunto de química en Rice.

La investigación fue apoyada por la Fundación Welch (C-1220, C-1222), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-15-1-0022) y la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (HDTRA 1-16-1-0042) .

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Acerca de la Universidad de Rice
Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es la sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4,240 estudiantes universitarios y 3,972 estudiantes graduados, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales crea comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el primer lugar en interacción raza / clase y el número uno en calidad de vida según la Princeton Review. Rice también está calificada como una de las mejores universidades privadas por Finanzas Personales de Kiplinger.

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