Хотя исследователи продемонстрировали этот метод в небольшой, строго контролируемой среде с размерами всего нанометров (миллиардных долей метра), они уже разработали концепции масштабирования метода и его практического применения в реальных приложениях.
Помимо предложения потенциально нового способа смягчения последствий изменения климата, химический процесс, используемый учеными, также может снизить затраты и потребности в энергии для производства жидких углеводородов и других химических веществ, используемых в промышленности.
Это потому, что побочные продукты метода включают строительные блоки для синтеза метана, этанола и других соединений на основе углерода, используемых в промышленной переработке.
Команда использовала новый источник энергии из наномира, чтобы запустить обычную химическую реакцию, которая устраняет углекислый газ. В этой реакции твердый углерод захватывает один из атомов кислорода в газообразном диоксиде углерода, восстанавливая его до монооксида углерода. Преобразование обычно требует значительного количества энергии в виде сильного тепла – температура не менее 700 градусов по Цельсию, достаточно высокая, чтобы плавить алюминий при нормальном атмосферном давлении.
Вместо тепла команда полагалась на энергию, полученную от бегущих волн электронов, известных как локализованные поверхностные плазмоны (LSP), которые перемещаются по отдельным наночастицам алюминия. Команда вызвала колебания LSP, возбуждая наночастицы электронным лучом регулируемого диаметра.
Узкий луч диаметром около нанометра бомбардировал отдельные наночастицы алюминия, в то время как луч, примерно в тысячу раз шире, генерировал LSP среди большого набора наночастиц.
В эксперименте команды наночастицы алюминия были нанесены на слой графита, форму углерода. Это позволило наночастицам передавать энергию LSP графиту.
В присутствии углекислого газа, который команда вводила в систему, графит играл роль выщипывания отдельных атомов кислорода из углекислого газа, превращая его в окись углерода. Наночастицы алюминия хранили при комнатной температуре.
Таким образом, команда достигла большого подвига: избавилась от углекислого газа без необходимости использования источника сильного тепла.
Предыдущие методы удаления углекислого газа имели ограниченный успех, поскольку для этих методов требовалась высокая температура или давление, использовались дорогостоящие драгоценные металлы или они имели низкую эффективность. Напротив, метод LSP не только экономит энергию, но и использует алюминий, дешевый и распространенный металл.
Хотя в результате реакции LSP образуется ядовитый газ – монооксид углерода, – этот газ легко соединяется с водородом с образованием основных углеводородных соединений, таких как метан и этанол, которые часто используются в промышленности, – сказал исследователь NIST Рену Шарма.
Она и ее коллеги, в том числе ученые из Университета Мэриленда в Колледж-Парке и DENSsolutions, в Делфте, Нидерланды, сообщили о своих выводах в Nature Materials.
«Мы впервые показали, что эта реакция с углекислым газом, которая в противном случае происходила бы только при 700 ° C или выше, может быть запущена с использованием LSP при комнатной температуре», – сказал исследователь Канхуи Ван из NIST и Университета Мэриленда.
Исследователи выбрали электронный луч для возбуждения LSP, потому что этот луч также можно использовать для изображения структур в системе размером до нескольких миллиардных долей метра. Это позволило команде оценить, сколько углекислого газа было удалено. Они изучили систему с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ).
Поскольку как концентрация углекислого газа, так и реакционный объем эксперимента были настолько малы, команде пришлось предпринять специальные шаги, чтобы напрямую измерить количество выделяемого окиси углерода. Они сделали это, подключив специально модифицированный держатель газовой кюветы от ТЕА к масс-спектрометру с газовым хроматографом, что позволило команде измерять концентрации углекислого газа в миллионных долях.
Шарма и ее коллеги также использовали изображения, полученные с помощью электронного луча, для измерения количества графита, вытравленного во время эксперимента, что является показателем того, сколько углекислого газа было удалено.
Они обнаружили, что отношение монооксида углерода к диоксиду углерода, измеренное на выходе из держателя газовой ячейки, линейно увеличивалось с количеством углерода, удаленного травлением.
Получение изображений с помощью электронного луча также подтвердило, что большая часть травления углерода – косвенный показатель восстановления углекислого газа – происходила вблизи наночастиц алюминия.
Дополнительные исследования показали, что, когда наночастицы алюминия отсутствовали в эксперименте, вытравливалось только около одной седьмой части углерода.
Ограниченная размером электронного луча, экспериментальная система команды была небольшой, всего от 15 до 20 нанометров в поперечнике (размер небольшого вируса).
По словам Ванга, для увеличения масштаба системы так, чтобы она могла удалять углекислый газ из выхлопных газов промышленной электростанции, луч света может быть лучшим выбором, чем электронный луч, для возбуждения LSP. Шарма предлагает разместить над дымовой трубой электростанции прозрачный корпус, содержащий неплотно упакованные наночастицы углерода и алюминия.
Массив световых лучей, падающих на сетку, активирует LSP. Когда выхлопные газы проходят через устройство, активируемые светом LSP в наночастицах будут обеспечивать энергию для удаления углекислого газа.
Команда отметила, что наночастицы алюминия, которые имеются в продаже, должны быть равномерно распределены, чтобы максимально увеличить контакт с источником углерода и поступающим диоксидом углерода.
Новая работа также предполагает, что LSP предлагают способ для множества других химических реакций, которые теперь требуют большого количества энергии для протекания при обычных температурах и давлениях с использованием плазмонных наночастиц.
«Сокращение выбросов углекислого газа – это большое дело, но это было бы еще более серьезной задачей, сэкономив огромное количество энергии, если бы мы могли начать проводить многие химические реакции при комнатной температуре, которые теперь требуют нагрева», – сказал Шарма.