O nouă modalitate de a sintetiza hidrocarburile poate reduce emisiile de dioxid și reduce costurile de producție chimică

Ilustrarea unui nou proces la temperatura camerei pentru îndepărtarea dioxidului de carbon (CO2) prin conversia moleculei în monoxid de carbon (CO). În loc să utilizeze căldură, metoda la scară nanoscopică se bazează pe energia plasmonilor de suprafață (nuanță violetă) care este excitată atunci când un fascicul de electroni (fascicul vertical) lovește nanoparticulele de aluminiu care se bazează pe grafit, o formă cristalină de carbon. În prezența grafitului, ajutată de energia primită de plasme, moleculele de dioxid de carbon (punct negru legat de două puncte roșii) sunt convertite în monoxid de carbon (punct negru legat de un punct roșu. de violet reprezintă grafit gravat în timpul reacției chimice CO2 + C = 2CO.Credit: NIST

Conversia temperaturii camerei a CO2 în CO

Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și colegii lor au demonstrat o metodă la temperatura camerei care poate reduce semnificativ nivelurile de dioxid de carbon în descărcarea centralei cu combustibil fosil, una dintre principalele surse de emisii de carbon din atmosfera.

Deși cercetătorii au demonstrat această metodă într-un mediu la scară mică, foarte controlat, care măsoară doar nanometri (miliarde de metri), ei au venit deja cu concepte pentru scalarea metodei și o fac practică pentru aplicații din lumea reală.

În plus față de a oferi o posibilă nouă modalitate de a atenua efectele schimbărilor climatice, procesul chimic utilizat de oamenii de știință ar putea reduce și costurile și cerințele de energie pentru producerea de hidrocarburi lichide și alte substanțe chimice utilizate de industrie. Acest lucru se datorează faptului că produsele secundare ale metodei includ elemente de bază pentru sinteza metanului, etanolului și a altor compuși pe bază de carbon utilizați în procesarea industrială.

Echipa a utilizat o nouă sursă de energie din lumea nano pentru a declanșa o reacție chimică pe bază de plante care elimină dioxidul de carbon. În această reacție, carbonul solidifică unul dintre atomii de oxigen din dioxidul de carbon gazos, reducându-l la monoxid de carbon. Conversia necesită în mod normal cantități semnificative de energie sub formă de căldură ridicată – o temperatură de cel puțin 700 de grade Celsius, suficient de fierbinte pentru a topi aluminiu la presiune atmosferică normală.

În loc de căldură, echipa s-a bazat pe energia recoltată din undele electronice călătoare, cunoscute sub numele de plasme de suprafață localizate (LSP), care au apărut pe nanoparticule de aluminiu individuale. Echipa a provocat oscilații LSP prin emoția nanoparticulelor cu un fascicul de electroni care avea un diametru reglabil. Un fascicul îngust, cu un diametru de aproximativ un nanometru, a bombardat nanoparticule individuale de aluminiu, în timp ce un fascicul de aproximativ o mie de ori mai larg a generat LSP în mijlocul unui grup mare de nanoparticule.

În experimentul echipei, nanoparticulele de aluminiu au fost depuse într-un strat de grafit, o formă de carbon. Acest lucru a permis nanoparticulelor să transfere energia LSP în grafit. În prezența dioxidului de carbon gazos, pe care echipa a injectat-o ​​în sistem, grafitul a îndeplinit rolul de a răzuia atomii individuali de oxigen din dioxidul de carbon, reducându-l la monoxid de carbon. Nanoparticulele de aluminiu au fost menținute la temperatura camerei. În acest fel, echipa a realizat o realizare majoră: scăderea dioxidului de carbon fără a fi nevoie de o sursă de căldură ridicată.

Metodele anterioare de îndepărtare a dioxidului de carbon au avut un succes limitat, deoarece tehnicile necesitau temperatură sau presiune ridicată, foloseau metale prețioase costisitoare sau aveau o eficiență slabă. În schimb, metoda LSP nu numai că economisește energie, ci folosește aluminiu, un metal ieftin și abundent.

Deși reacția LSP generează un gaz toxic – monoxid de carbon – gazul se combină ușor cu hidrogenul pentru a produce compuși esențiali de hidrocarburi, cum ar fi metanul și etanolul, care sunt adesea utilizați în industrie, a declarat cercetătorul NIST, Renu Sharma.

Ea și colegii ei, inclusiv oameni de știință de la Universitatea din Maryland la College Park și DENSsolutions, din Delft, Olanda, și-au raportat concluziile în Materiale naturale.

„Am arătat pentru prima dată că această reacție la dioxidul de carbon, care altfel ar avea loc doar la 700 de grade C sau mai mare, ar putea fi declanșată folosind LSP la temperatura camerei”, a declarat cercetătorul NIST Canhui Wang și Universitatea din Maryland.

Cercetătorii au ales un fascicul de electroni pentru a excita LSP-urile, deoarece fasciculul ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a imagina structuri în sistem la fel de mici ca câteva miliarde de metru. Acest lucru a permis echipei să estimeze cât de mult dioxid de carbon a fost eliminat. Ei au studiat sistemul folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM).

Deoarece atât concentrația de dioxid de carbon, cât și volumul de reacție al experimentului au fost atât de mici, echipa a trebuit să ia măsuri speciale pentru a măsura direct cantitatea de monoxid de carbon generată. Au făcut acest lucru prin alăturarea unui suport de celule de gaz special modificat de TEM într-un spectrometru de masă cromatograf gazos, permițând echipei să măsoare concentrațiile de dioxid de carbon în părți cu milioane.

Sharma și colegii ei au folosit, de asemenea, imagini produse de fasciculul de electroni pentru a măsura cantitatea de grafit care a fost gravată în timpul experimentului, un proxy pentru cât de mult dioxid de carbon a fost luat. Au descoperit că raportul dintre monoxidul de carbon și dioxidul de carbon măsurat la ieșirea din suportul celulei de gaz a crescut liniar cu cantitatea de carbon îndepărtată de la gravură.

Imaginile cu fascicul de electroni au confirmat, de asemenea, că cea mai mare parte a sechestrării carbonului – un proxy pentru reducerea dioxidului de carbon – a avut loc în apropierea nanoparticulelor de aluminiu. Studii suplimentare au constatat că atunci când nanoparticulele de aluminiu lipseau în experiment, doar aproximativ o șapte din carbon a fost gravat.

Limitat de dimensiunea fasciculului de electroni, sistemul experimental al echipei a fost mic, având doar aproximativ 15-20 nanometri (dimensiunea unui virus mic).

Pentru a stimula sistemul astfel încât să poată elimina dioxidul de carbon din evacuarea unei centrale electrice comerciale, un fascicul de lumină poate fi o alegere mai bună decât un fascicul de electroni pentru a excita LSP-urile, a spus Wang. Sharma propune ca o carcasă transparentă care să conțină nanoparticule de carbon și aluminiu ușor ambalate să poată fi plasată deasupra coșului de fum al unei centrale electrice. Un set de raze de lumină care afectează rețeaua ar activa LSP-urile. Când descărcarea trece prin dispozitiv, LSP-urile activate în lumină din nanoparticule ar furniza energia pentru a elimina dioxidul de carbon.

Nanoparticulele de aluminiu, care sunt disponibile pe piață, ar trebui distribuite uniform pentru a maximiza contactul cu sursa de carbon și cu dioxidul de carbon de intrare, a remarcat echipa.

Noua lucrare sugerează, de asemenea, că LSP-urile oferă o cale pentru o serie de alte reacții chimice care necesită acum o infuzie mare de energie pentru a continua la temperaturi și presiuni normale folosind nanoparticule de plasmă.

“Reducerea dioxidului de carbon este o afacere mare, dar ar fi o afacere și mai mare, economisind cantități uriașe de energie, dacă am putea începe să facem o mulțime de reacții chimice la temperatura camerei care acum necesită încălzire”, a spus el. Sharma.

Referință: „Reacție endotermică la temperatura camerei activată de plasmoni ultraviolete adânci” de Canhui Wang, Wei-Chang D. Yang, David Raciti, Alina Bruma, Ronald Marx, Amit Agrawal și Renu Sharma, 2 noiembrie 2020, Materiale naturale.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00851-x

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Procesul de tratament în rara morgă „carapace noroioase” a mumiei egiptene a fost expus – acesta este un caz de eroare

O figură mumificată și un sicriu în colecția Nicholson a Muzeului Aripii Chau Chuck de la Universitatea din Sydney. O persoană mumificată înfășurată...

Praful de asteroizi găsit în crater închide cazul care a ucis dinozaurii

Cercetătorii cred că au închis cazul în care dinozaurii au fost uciși și au legat definitiv dispariția lor de un asteroid care a lovit...

Noua descoperire poate explica asimetria confuză a protonului

Reprezentarea grafică a protonului. Sferele mari reprezintă cele trei quarcuri de valență, sferele mici reprezintă celelalte quarkuri care formează protonul, iar arcurile reprezintă...

Detectarea COVID-19 cu un autocolant pe piele

Inginerii Universității din Missouri promovează piața comercială a bioelectronicii îmbrăcate prin dezvoltarea unui plan de producție la scară largă pentru un dispozitiv personalizabil capabil...

Instrument gratuit de bioinformatică pentru a repeta repetițiile simple ale genotipului digital

SSRgenotyper este un instrument de bioinformatică nou dezvoltat, care permite cercetătorilor să genotipeze digital populațiile în serie folosind repetări de secvențe simple (SSR), o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.