O nouă modalitate de sintetizare a hidrocarburilor ar putea reduce emisiile de CO2 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 folosească căldura, metoda la scară nanomurală se bazează pe energia plasmonilor de suprafață (nuanță violetă) care este excitată atunci când un fascicul de electroni (fascicul vertical) lovește nanoparticulele de aluminiu pe bază de grafit, o formă cristalină de carbon. În prezența grafitului, ajutată de energia primită de la plasme, moleculele de dioxid de carbon (punct negru legat de două puncte roșii) sunt transformate 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

Noua metodă ar putea reduce emisiile de dioxid de carbon în atmosferă și costurile mai ridicate ale producției chimice.

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 mic, 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.

Pe lângă furnizarea unei noi modalități posibile de atenuare a efectelor schimbărilor climatice, procesul chimic utilizat de oamenii de știință ar putea reduce și costurile și cerințele energetice pentru producția de hidrocarburi lichide și alte substanțe chimice utilizate de industrie. Acest lucru se datorează faptului că subprodusele metodei includ elemente de bază pentru sinteza metanului, etanolului și a altor compuși pe bază de carbon utilizați în procesarea industrială.

Echipa a folosit 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 solid se atașează la 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 unde de călătorie a electronilor, 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 servit 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 au necesitat temperatură sau presiune ridicată, au folosit metale prețioase costisitoare sau au avut 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 cauzată de utilizarea 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 de la 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 cu cromatograf de gaz, 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 reprezentant al cantității de dioxid de carbon 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 captării de carbon – 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 descărcarea 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 ar putea 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 din 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 mari 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 plasmele ultraviolete profunde” 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

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.