Rumtemperaturkonvertering af CO2 til CO:En ny måde at syntetisere kulbrinter på

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har demonstreret en stuetemperaturmetode, der betydeligt kan reducere kuldioxidniveauerne i udstødningen fra fossilt brændstof fra kraftværker, en af ​​de vigtigste kilder til kulstofemissioner i atmosfæren.

Selvom forskerne demonstrerede denne metode i en lille skala, stærkt kontrolleret miljø med dimensioner på kun nanometer, de har allerede fundet på koncepter til at skalere metoden op og gøre den praktisk til virkelige applikationer.

Ud over at tilbyde en potentiel ny måde at afbøde virkningerne af klimaændringer, den kemiske proces, som forskerne anvender, kunne også reducere omkostninger og energibehov til fremstilling af flydende kulbrinter og andre kemikalier, der anvendes af industrien. Det er fordi metodens biprodukter inkluderer byggestenene til syntetisering af metan, ethanol og andre kulstofbaserede forbindelser, der anvendes i industriel forarbejdning.

Holdet udnyttede en ny energikilde fra nanoverdenen for at udløse en kemisk reaktion, der eliminerer kuldioxid. I denne reaktion, fast kulstof hænger fast på et af oxygenatomerne i kuldioxidgas, reducere det til kulilte. Omdannelsen kræver normalt betydelige mængder energi i form af høj varme - en temperatur på mindst 700 grader Celsius, varmt nok til at smelte aluminium ved normalt atmosfærisk tryk.

I stedet for varme, holdet stolede på energien høstet fra vandrende bølger af elektroner, kendt som lokaliserede overfladeplasmoner (LSP'er), som surfer på individuelle aluminiumsnanopartikler. Holdet udløste LSP-oscillationerne ved at excitere nanopartiklerne med en elektronstråle, der havde en justerbar diameter. En smal stråle, omkring en nanometer i diameter, bombarderede individuelle aluminiumsnanopartikler, mens en stråle omkring tusind gange bredere genererede LSP'er blandt et stort sæt af nanopartiklerne.

I holdets eksperiment, aluminiumsnanopartiklerne blev aflejret på et lag af grafit, en form for kulstof. Dette gjorde det muligt for nanopartiklerne at overføre LSP-energien til grafitten. I nærvær af kuldioxidgas, som holdet injicerede i systemet, grafitten tjente rollen som at plukke individuelle oxygenatomer fra kuldioxid, reducere det til kulilte. Aluminiumsnanopartiklerne blev holdt ved stuetemperatur. På denne måde holdet opnåede en stor bedrift:at slippe af med kuldioxiden uden behov for en kilde til høj varme.

Tidligere metoder til at fjerne kuldioxid har haft begrænset succes, fordi teknikkerne har krævet høj temperatur eller tryk, brugt kostbare ædelmetaller, eller havde dårlig effektivitet. I modsætning, LSP-metoden sparer ikke kun energi, men bruger aluminium, et billigt og rigeligt metal.

Selvom LSP-reaktionen genererer en giftig gas - kulilte - kombineres gassen let med brint for at producere essentielle kulbrinteforbindelser, såsom metan og ethanol, som ofte bruges i industrien, sagde NIST-forsker Renu Sharma.

Hun og hendes kolleger, herunder forskere fra University of Maryland i College Park og DENSsolutions, i Delft, Holland, rapporterede deres resultater i Naturmaterialer.

"Vi viste for første gang, at denne kuldioxidreaktion, hvilket ellers kun vil ske ved 700 grader C eller højere, kan udløses ved hjælp af LSP'er ved stuetemperatur, " sagde forsker Canhui Wang fra NIST og University of Maryland.

Forskerne valgte en elektronstråle til at excitere LSP'erne, fordi strålen også kan bruges til at afbilde strukturer i systemet så små som et par milliardtedele af en meter. Dette gjorde det muligt for holdet at vurdere, hvor meget kuldioxid der var blevet fjernet. De studerede systemet ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM).

Fordi både koncentrationen af ​​kuldioxid og reaktionsvolumenet af eksperimentet var så lille, holdet måtte tage særlige skridt for direkte at måle mængden af ​​genereret kulilte. Det gjorde de ved at koble en specielt modificeret gascelleholder fra TEM til et gaskromatograf massespektrometer, giver holdet mulighed for at måle dele-per-million-koncentrationer af kuldioxid.

Sharma og hendes kolleger brugte også billederne produceret af elektronstrålen til at måle mængden af ​​grafit, der blev ætset væk under eksperimentet, en proxy for, hvor meget kuldioxid der var blevet fjernet. De fandt ud af, at forholdet mellem carbonmonoxid og carbondioxid målt ved udgangen af ​​gascelleholderen steg lineært med mængden af ​​carbon fjernet ved ætsning.

Billeddannelse med elektronstrålen bekræftede også, at det meste af carbonætsningen - en proxy for carbondioxidreduktion - fandt sted nær aluminiumsnanopartiklerne. Yderligere undersøgelser afslørede, at når aluminiumsnanopartiklerne var fraværende i eksperimentet, kun omkring en syvendedel så meget kulstof blev ætset.

Begrænset af størrelsen af ​​elektronstrålen, holdets eksperimentelle system var lille, kun omkring 15 til 20 nanometer på tværs (på størrelse med en lille virus).

For at opskalere systemet, så det kunne fjerne kuldioxid fra udstødningen fra et kommercielt kraftværk, en lysstråle kan være et bedre valg end en elektronstråle til at excitere LSP'erne, sagde Wang. Sharma foreslår, at et gennemsigtigt kabinet indeholdende løst pakkede kulstof- og aluminiumnanopartikler kan placeres over røgstakken på et kraftværk. En række lysstråler, der rammer nettet, vil aktivere LSP'erne. Når udstødningen passerer gennem enheden, de lysaktiverede LSP'er i nanopartiklerne ville give energien til at fjerne kuldioxid.

Nanopartikler af aluminium, som er kommercielt tilgængelige, skal være jævnt fordelt for at maksimere kontakten med kulstofkilden og den indkommende kuldioxid, noterede holdet.

Det nye arbejde tyder også på, at LSP'er tilbyder en måde for en række andre kemiske reaktioner, der nu kræver en stor infusion af energi for at fortsætte ved almindelige temperaturer og tryk ved hjælp af plasmoniske nanopartikler.

"Reduktion af kuldioxid er en stor ting, men det ville være en endnu større sag, spare enorme mængder energi, hvis vi kan begynde at lave mange kemiske reaktioner ved stuetemperatur, som nu kræver opvarmning, " sagde Sharma.