Forskere bekræfter forskellige regioner i populært kulstoffangst og syntese opløsningsmiddel

Forestil dig at bygge en by med kun to typer bygninger:røde boliger og grønne kontorer. Du spreder bygningerne jævnt, skiftevis rød og grøn. Nu, forestil dig den samme by med kvarterer og forretningskvarterer. 3-D-kortet ville have distinkte områder af rødt og grønt. Dr. Xiao-Ying Yu ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory og hendes kolleger endte med et lignende kort, da de dykkede ned i et populært opløsningsmiddel, kendt som en omskiftelig ionisk væske, eller SWIL. Holdet tegnede det første kemiske kort over en SWIL.

"Vi så noget, ingen havde set før - kemi, som ingen havde set før, " sagde Yu, PNNL-kemikeren, der ledede holdet.

Disse omskiftelige væsker opfanger kuldioxid, tjene som skabeloner for små designerpartikler og udvinde ønskværdige kemikalier fra biomasse. SWILs er nemmere at kontrollere og producerer mindre affald end konventionelle teknikker. Imidlertid, videnskabsmænd vidste ikke præcist, hvad der skete inde i væsken. Holdets forskning tilbyder et detaljeret kort over, hvordan SWILs fungerer. Undersøgelsen giver videnskabsfolk indsigt i bedre at kontrollere eksisterende SWIL'er og designe nye, mere effektive væsker til grøn separation. Ud over, SWIL'er kan også tjene som bløde skabeloner til at skabe ekstremt små strukturer.

"Det giver os en dybere forståelse af, hvad opløsningsmidlerne gør, og hvordan de opfører sig, " sagde Dr. David Heldebrant, en PNNL-forsker, der studerer kemien af ​​kuldioxid.

Bruges til at opfange kuldioxid, syntetisere nanopartikler og hjælpe med at omdanne biomasse til biobrændstoffer, SWIL'er er et populært opløsningsmiddel. Desværre, disse væsker er svære at kontrollere og forbedre. Hvorfor? Væskernes indre virke var et mysterium. Mens mange troede, at SWIL'er var homogene, når de var fuldstændigt fyldt med kuldioxid, holdet var ikke overbevist. Arbejder med teoretikere hos PNNL, Yu og hendes kolleger undersøgte beregningssimuleringer og beregninger, der viste forskellige områder i SWIL'erne, selv når kemien sagde, at den skulle være homogen.

Holdet tog en tostrenget tilgang til at tegne et 3-D kemisk kort over en SWIL. En involverede analyse af væsken ved hjælp af instrumenter såsom et time-of-flight sekundært ion massespektrometer (SIMS) ved DOE's EMSL, en videnskabelig brugerfacilitet. "Vi er en af ​​de få grupper, der kan lave SIMS-analyse af væsker og væskegrænseflader, " sagde Yu. "De fleste steder skal prøven tørres op eller bruges andre bulk-tilgange. Det gør vi ikke."

Yu sammen med Juan Yao og Dr. Zihua Zhu analyserede massespektrometerdataene med indsigt fra deres syntesekolleger.

De gennemførte også en række eksperimenter, der kombinerede den prisvindende SALVI-teknologi. SALVI, eller system til analyse ved væskevakuumgrænsefladen, tillader billeddannelsesinstrumenter, der kræver at sætte den luftfølsomme ioniske væskeprøve under et vakuum for at studere væsker, der reagerer i realtid og i et realistisk miljø. SALVI, lille nok til at passe i håndfladen, kræver så lidt som to dråber af en væske. Holdet brugte SALVI med en kemisk dynamisk fotonstrålelinje ved DOE's Advanced Light Source, en anden videnskabelig brugerfacilitet. De fandt understøttende beviser for SWIL-komponenterne, som supplement til SIMS-observationerne.

Ved at analysere resultaterne fra de to tilgange og den tidligere teoretiske undersøgelse, holdet skabte et 3D-kort for væsken. "Denne forskning åbnede sluserne, " sagde Dr. Satish K. Nune, en PNNL-kemiker, der arbejdede på undersøgelsen. "Det gav mange mennesker nye ideer om SWIL-kemi."

Hos PNNL, SWIL-forskning fortsætter med at give ny indsigt. Yu leder arbejdet med at bruge SWIL'er som et modelsystem til undersøgelse af opløsningsmiddelstruktur via SALVI ved DOE lyskilder. Heldebrant studerer, hvordan man manipulerer SWIL-strukturer for effektivt at opfange kuldioxid. Nune leder indsatsen for at bruge SWILs til at høste vand fra luften med mindre energi.