ஒரு எதிர்வினை செல் அம்மோனியாவிலிருந்து ஹைட்ரஜன் உற்பத்திக்கான செப்பு-இரும்பு பிளாஸ்மோனிக் ஒளிச்சேர்க்கைகளை சோதிக்கிறது. கடன்: பிராண்டன் மார்ட்டின்/ரைஸ் பல்கலைக்கழகம்

விலையில்லா வினையூக்கியானது அம்மோனியாவை ஹைட்ரஜன் எரிபொருளாக மாற்ற ஒளியிலிருந்து ஆற்றலைப் பயன்படுத்துகிறது.

ஹைட்ரஜன் பொருளாதாரத்திற்கான ஒரு முக்கிய ஒளி-செயல்படுத்தப்பட்ட நானோ பொருள் ரைஸ் பல்கலைக்கழக ஆராய்ச்சியாளர்களால் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. மலிவான மூலப்பொருட்களை மட்டுமே பயன்படுத்தி, விஞ்ஞானிகள் ஒரு அளவிடக்கூடிய வினையூக்கியை உருவாக்கினர், இது அம்மோனியாவை சுத்தமான-எரியும் ஹைட்ரஜன் எரிபொருளாக மாற்றுவதற்கு ஒளியின் சக்தி மட்டுமே தேவைப்படுகிறது.

இந்த ஆய்வு, நவம்பர் 24 அன்று இதழில் வெளியிடப்பட்டது அறிவியல்நானோபோடோனிக்ஸ், சிஜிஜி பிளாஸ்மோனிக்ஸ் இன்க்., மற்றும் ரைஸ் ஆய்வகத்தின் குழுவால் நடத்தப்பட்டது.[{” attribute=””>Princeton University’s Andlinger Center for Energy and the Environment.

Recent government and industry investments to create infrastructure and markets for carbon-free liquid ammonia fuel that will not contribute to greenhouse warming synergize nicely with this research. Because it is easy to transport and packs a lot of energy, with one nitrogen and three hydrogen atoms per molecule, liquid ammonia is a promising clean fuel of the future.

The new catalyst breaks those ammonia molecules (NH₃) into hydrogen gas (H₂), a clean-burning fuel, and nitrogen gas (N₂), the largest component of Earth’s atmosphere. And unlike traditional catalysts, it doesn’t require heat. Instead, it harvests energy from light, either sunlight or energy-efficient LEDs.

இரசாயன எதிர்வினைகளின் வேகம் பொதுவாக வெப்பநிலையுடன் அதிகரிக்கிறது, மேலும் இரசாயன உற்பத்தியாளர்கள் தொழில்துறை அளவில் வெப்பத்தைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் ஒரு நூற்றாண்டுக்கும் மேலாக இதைப் பயன்படுத்தினர். பெரிய எதிர்வினைக் கப்பல்களின் வெப்பநிலையை நூற்றுக்கணக்கான அல்லது ஆயிரக்கணக்கான டிகிரி உயர்த்துவதற்காக புதைபடிவ எரிபொருட்களை எரிப்பதால், மிகப்பெரிய கார்பன் தடம் ஏற்படுகிறது. இரசாயன உற்பத்தியாளர்கள் ஒவ்வொரு ஆண்டும் பில்லியன் கணக்கான டாலர்களை தெர்மோகேடலிஸ்ட்களுக்காகச் செலவிடுகிறார்கள் – அவை வினைபுரியாத ஆனால் தீவிர வெப்பத்தின் கீழ் எதிர்வினைகளை வேகப்படுத்துகின்றன.

“இரும்பு போன்ற மாறுதல் உலோகங்கள் பொதுவாக மோசமான தெர்மோகேடலிஸ்ட்கள்” என்று ஆய்வு இணை ஆசிரியர் நவோமி ஹாலஸ் ஆஃப் ரைஸ் கூறினார். “இந்த வேலை அவர்கள் திறமையான பிளாஸ்மோனிக் ஒளிச்சேர்க்கையாளர்களாக இருக்க முடியும் என்பதைக் காட்டுகிறது. மலிவான LED ஃபோட்டான் மூலங்களைக் கொண்டு ஒளிச்சேர்க்கையை திறமையாகச் செய்ய முடியும் என்பதையும் இது நிரூபிக்கிறது.

“இந்த கண்டுபிடிப்பு நிலையான, குறைந்த விலை ஹைட்ரஜனுக்கு வழி வகுக்கிறது, இது பாரிய மையப்படுத்தப்பட்ட ஆலைகளை விட உள்நாட்டில் உற்பத்தி செய்யப்படலாம்” என்று ரைஸ் இணை ஆசிரியரான பீட்டர் நோர்ட்லேண்டர் கூறினார்.

அம்மோனியாவிலிருந்து ஹைட்ரஜன் உற்பத்திக்கான செப்பு-இரும்பு பிளாஸ்மோனிக் ஒளிச்சேர்க்கைகளின் சோதனைகளில் பயன்படுத்தப்படும் ஒளிச்சேர்க்கை தளம். கடன்: பிராண்டன் மார்ட்டின்/ரைஸ் பல்கலைக்கழகத்தின் புகைப்படம்

சிறந்த தெர்மோகேடலிஸ்ட்கள் பிளாட்டினத்திலிருந்து தயாரிக்கப்படுகின்றன தொடர்புடைய விலைமதிப்பற்ற உலோகங்கள் பல்லேடியம், ரோடியம் மற்றும் ருத்தேனியம் போன்றவை. Halas மற்றும் Nordlander ஒளி-செயல்படுத்தப்பட்ட, அல்லது பிளாஸ்மோனிக், உலோக நானோ துகள்களை உருவாக்க பல ஆண்டுகள் செலவிட்டனர். இவற்றில் சிறந்தவை பொதுவாக வெள்ளி மற்றும் தங்கம் போன்ற விலைமதிப்பற்ற உலோகங்களால் செய்யப்படுகின்றன.

அவர்களை தொடர்ந்து 2011 கண்டுபிடிப்பு “சூடான கேரியர்கள்” என்று அழைக்கப்படும் குறுகிய கால, உயர் ஆற்றல் எலக்ட்ரான்களை வழங்கும் பிளாஸ்மோனிக் துகள்கள் 2016 இல் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது வெப்ப-கேரியர் ஜெனரேட்டர்கள் கலப்பின “ஆன்டெனா-உலைகளை” உற்பத்தி செய்ய வினையூக்கி துகள்களுடன் திருமணம் செய்து கொள்ளலாம், அங்கு ஒரு பகுதி ஒளியிலிருந்து ஆற்றலைப் பெறுகிறது, மற்றொரு பகுதி இரசாயன எதிர்வினைகளை இயக்க ஆற்றலைப் பயன்படுத்துகிறது. அறுவை சிகிச்சை துல்லியம்.

ஹலாஸ், நோர்ட்லேண்டர், அவர்களது மாணவர்கள் மற்றும் கூட்டுப்பணியாளர்கள் ஆண்டெனா உலைகளின் ஆற்றல்-அறுவடை மற்றும் எதிர்வினை-வேகப் பகுதிகள் ஆகிய இரண்டிற்கும் விலைமதிப்பற்ற உலோக மாற்றுகளைக் கண்டறிய பல ஆண்டுகளாக உழைத்துள்ளனர். புதிய ஆய்வு அந்த வேலையின் உச்சகட்டமாகும். அதில், ஹாலஸ், நோர்ட்லேண்டர், ரைஸ் முன்னாள் மாணவர் ஹொசைன் ரோபட்ஜாசி, பிரின்ஸ்டன் பொறியாளர் மற்றும் இயற்பியல் வேதியியலாளர் எமிலி கார்ட்டர் மற்றும் பலர், தாமிரம் மற்றும் இரும்பினால் செய்யப்பட்ட ஆண்டெனா-உலை துகள்கள் அம்மோனியாவை மாற்றுவதில் மிகவும் திறமையானவை என்பதைக் காட்டுகின்றன. துகள்களின் செம்பு, ஆற்றல்-அறுவடை துண்டு, புலப்படும் ஒளியிலிருந்து ஆற்றலைப் பிடிக்கிறது.

ஹூஸ்டனில் உள்ள Syzygy Plasmonics இல் அம்மோனியாவிலிருந்து ஹைட்ரஜன் உற்பத்திக்கான செப்பு-இரும்பு பிளாஸ்மோனிக் ஒளிச்சேர்க்கைகளின் சோதனைகளில் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு எதிர்வினை செல் (இடது) மற்றும் ஒளிச்சேர்க்கை தளம் (வலது). வினையூக்கத்திற்கான அனைத்து எதிர்வினை ஆற்றலும் 470 நானோமீட்டர் அலைநீளத்துடன் ஒளியை உற்பத்தி செய்யும் LED களில் இருந்து வந்தது. கடன்: Syzygy Plasmonics, Inc.

“ஒளி இல்லாத நிலையில், செப்பு-இரும்பு வினையூக்கியானது செப்பு-ருத்தேனியம் வினையூக்கிகளை விட சுமார் 300 மடங்கு குறைவான வினைத்திறனை வெளிப்படுத்தியது, இந்த எதிர்வினைக்கு ருத்தேனியம் ஒரு சிறந்த தெர்மோகேடலிஸ்ட் என்பதில் ஆச்சரியமில்லை” என்று ஒரு Ph.D. Robatjazi கூறினார். ஹலஸின் ஆராய்ச்சிக் குழுவைச் சேர்ந்த முன்னாள் மாணவர், இப்போது ஹூஸ்டனை தளமாகக் கொண்ட சிஜிஜி பிளாஸ்மோனிக்ஸ் நிறுவனத்தின் தலைமை விஞ்ஞானி. “வெளிச்சத்தின் கீழ், செப்பு-இரும்பு செயல்திறன் மற்றும் வினைத்திறன்களைக் காட்டியது, அவை செப்பு-ருத்தேனியம் போன்றவற்றுடன் ஒப்பிடத்தக்கவை.

Syzygy ஆனது ரைஸின் ஆண்டெனா-உலை தொழில்நுட்பத்திற்கு உரிமம் வழங்கியுள்ளது, மேலும் இந்த ஆய்வில் நிறுவனத்தின் வணிக ரீதியாக கிடைக்கக்கூடிய LED-இயங்கும் உலைகளில் உள்ள வினையூக்கியின் அளவிடப்பட்ட சோதனைகள் அடங்கும். ரைஸில் உள்ள ஆய்வக சோதனைகளில், செப்பு-இரும்பு வினையூக்கிகள் லேசர்கள் மூலம் ஒளிர்கின்றன. Syzygy சோதனைகள், வினையூக்கிகள் LED வெளிச்சத்தின் கீழ் தங்கள் செயல்திறனைத் தக்கவைத்துக்கொண்டன மற்றும் ஆய்வக அமைப்பை விட 500 மடங்கு பெரிய அளவில் இருந்தன.

“எல்.ஈ.டிகளுடன் கூடிய ஒளிச்சேர்க்கை அம்மோனியாவிலிருந்து கிராம் அளவிலான ஹைட்ரஜன் வாயுவை உருவாக்க முடியும் என்பதைக் காட்டும் அறிவியல் இலக்கியத்தில் இதுவே முதல் அறிக்கை” என்று ஹாலஸ் கூறினார். “இது பிளாஸ்மோனிக் ஃபோட்டோகேடலிசிஸில் விலைமதிப்பற்ற உலோகங்களை முழுவதுமாக மாற்றுவதற்கான கதவைத் திறக்கிறது.”

“ரசாயனத் துறை கார்பன் உமிழ்வைக் கணிசமாகக் குறைப்பதற்கான அவற்றின் திறனைக் கருத்தில் கொண்டு, பிளாஸ்மோனிக் ஆண்டெனா-உலை ஃபோட்டோகேடலிஸ்ட்கள் மேலும் ஆய்வுக்குத் தகுதியானவை” என்று கார்ட்டர் மேலும் கூறினார். “இந்த முடிவுகள் ஒரு சிறந்த உந்துதல். ஏராளமான உலோகங்களின் பிற சேர்க்கைகள் பரந்த அளவிலான இரசாயன எதிர்வினைகளுக்கு செலவு குறைந்த வினையூக்கிகளாகப் பயன்படுத்தப்படலாம் என்று அவர்கள் பரிந்துரைக்கின்றனர்.”

குறிப்பு: “எச்₂ NH இலிருந்து தலைமுறை₃ ஒளி-உமிழும் டையோடு வெளிச்சத்துடன்” Yigao Yuan, Linan Zhou, Hossein Robatjazi, Junwei Lucas Bao, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Lin Yuan, Minghe Lou, Minhan Lou, Suman Katiwada, Emily A. Carter, Peter Nordlander. ஹலாஸ், 24 நவம்பர் 2022, அறிவியல்.
DOI: 10.1126/science.abn5636

ஹாலஸ் ரைஸின் ஸ்டான்லி சி. மூர் எலக்ட்ரிக்கல் மற்றும் கம்ப்யூட்டர் இன்ஜினியரிங் பேராசிரியர் மற்றும் வேதியியல், உயிரியல் பொறியியல், இயற்பியல் மற்றும் வானியல் மற்றும் பொருள் அறிவியல் மற்றும் நானோ இன்ஜினியரிங் பேராசிரியராக உள்ளார். நோர்ட்லேண்டர் ரைஸின் வைஸ் சேர் மற்றும் இயற்பியல் மற்றும் வானியல் பேராசிரியராகவும், மின் மற்றும் கணினி பொறியியல் மற்றும் பொருள் அறிவியல் மற்றும் நானோ பொறியியல் பேராசிரியராகவும் உள்ளார். கார்ட்டர் பிரின்ஸ்டனின் ஜெர்ஹார்ட் ஆர். ஆண்ட்லிங்கர் ஆற்றல் மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கான ஆன்ட்லிங்கர் மையத்தில் ஆற்றல் மற்றும் சுற்றுச்சூழலில் பேராசிரியராக உள்ளார், பிரின்ஸ்டன் பிளாஸ்மா இயற்பியல் ஆய்வகத்தில் நிலைத்தன்மை அறிவியலுக்கான மூத்த மூலோபாய ஆலோசகர், மற்றும் இயந்திரவியல் மற்றும் விண்வெளி பொறியியல் மற்றும் பயன்பாட்டு கணிதவியல் பேராசிரியர். ரோபட்ஜாசி ரைஸில் வேதியியலின் துணைப் பேராசிரியராகவும் உள்ளார்.

கூடுதல் இணை ஆசிரியர்களில் Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Lin Yuan, Minghe Lou மற்றும் Minhan Lou of Rice, Linan Zhou of Rice and South China Technology, Suman Khatiwada of Syzygy Plasmonics மற்றும் Junwei Lucas Bao ஆகியோர் அடங்குவர். மற்றும் பாஸ்டன் கல்லூரி.

Halas மற்றும் Nordlander ஆகியோர் Syzygy இணை நிறுவனர்கள் மற்றும் நிறுவனத்தில் பங்குகளை வைத்துள்ளனர்.

இந்த ஆராய்ச்சிக்கு வெல்ச் அறக்கட்டளை (C-1220, C-1222), விமானப்படை அறிவியல் ஆராய்ச்சி அலுவலகம் (FA9550-15-1-0022), Syzygy Plasmonics, பாதுகாப்புத் துறை மற்றும் பிரின்ஸ்டன் பல்கலைக்கழகம் ஆகியவை ஆதரவு அளித்தன.