Naujas angliavandenilių sintezės būdas gali sumažinti CO2 išmetimą ir cheminių medžiagų gamybos sąnaudas

Naujo proceso kambario temperatūroje iliustracija, skirta pašalinti anglies dioksidą (CO2), paverčiant molekules į anglies monoksidą (CO). Užuot naudojęs šilumą, nanometrinis metodas remiasi paviršiaus plazmonų (violetinių atspalvių) energija, kai elektronų pluoštas (vertikalūs pluoštai) smogia aliuminio nanodalelėms grafite, kristalinės anglies pavidalu. Esant grafitui, naudojant energijas, gaunamas iš plazmonų, anglies dioksido molekulės (du raudoni taškai, pritvirtinti prie juodo taško) paverčiami anglies monoksidu (juodas taškas, pritvirtintas prie raudono taško).

Kambario temperatūros pavertimas CO2 CO

Naujas metodas gali sumažinti anglies dvideginio išmetimą į atmosferą ir sumažinti cheminių medžiagų gamybos išlaidas.

Nacionalinio standartų ir technologijos instituto (NIST) mokslininkai ir jų kolegos pademonstravo aplinkos temperatūros metodą, kuris gali žymiai sumažinti anglies dvideginio kiekį išmetant iškastinio kuro gamyklą – vieną iš pagrindinių atmosferos anglies dvideginio išmetimo šaltinių.

Mokslininkai šį metodą pademonstravo labai mažo masto kontroliuojamoje aplinkoje, turėdami tik nanometrus (milijardą metrų), ir jau išrado koncepcijas, kaip išplėsti metodą ir padaryti jį praktišką pritaikant realiame pasaulyje.

Mokslininkų naudojami cheminiai procesai ne tik suteikia naują būdą sušvelninti klimato kaitos padarinius, bet ir gali sumažinti skystųjų angliavandenilių ir kitų pramonėje naudojamų chemikalų gamybos sąnaudas ir energijos poreikį. Šalutinis metodo produktas yra todėl, kad jame yra blokų, naudojamų pramoniniame procese sintetinant metaną, etanolį ir kitus anglies pagrindu pagamintus junginius.

Grupė pasinaudojo nauju energijos šaltiniu iš nano pasaulio, kad sukeltų cheminę reakciją malūne, pašalinančiame anglies dioksidą. Šioje reakcijoje kietoji anglis yra prijungta prie vieno iš deguonies atomų, esančių anglies dvideginio dujose, paverčiant ją anglies monoksidu. Pertvarkymui paprastai reikia didelių energijos kiekių esant aukštai šilumai (bent 700 laipsnių Celsijaus) Celsijaus, pakankamai karštas, kad normaliai ištirptų aliuminį atmosferos slėgyje.

Vietoj šilumos grupė pasikliovė energija, gaunama iš keliaujančių elektronų bangų, vadinamų lokalizuotais paviršiaus plazmonais (LSP), kurios naršo atskirose aliuminio nanodalelėse. Grupė pradėjo LSP svyravimus jaudinančiomis nanodalelėmis su reguliuojamo skersmens elektronų pluoštu. Siauras, maždaug nanometro skersmens pluoštas bombardavo atskiras aliuminio nanodaleles, o tūkstantį kartų platesnis spindulys suformavo didelį nanodalelių rinkinį, kuris generavo LSP.

Atliekant grupinį eksperimentą, aliuminio nanodalelės buvo nusodintos ant grafito sluoksnio anglies pavidalu. Tai leido nanodalelėms perduoti LSP energiją grafitui. Kai grupė suleido anglies dvideginį į sistemą, grafitas vaidino atskirus deguonies atomus iš anglies dioksido, paversdamas juos anglies monoksidu. Aliuminio nanodalelės buvo palaikomos kambario temperatūroje. Tai atlikdama komanda įvykdė svarbų žygdarbį: pašalino anglies dioksidą nereikalaudamas didelio šilumos šaltinio.

Ankstesni anglies dvideginio pašalinimo metodai buvo mažai sėkmingi, nes metodai reikalavo aukštos temperatūros ar slėgio, nes brangieji metalai pabrango arba jų efektyvumas buvo prastas. Priešingai, LSP metodas naudoja energiją, taip pat aliuminį, pigų ir gausų metalą.

Nors dėl LSP reakcijos susidaro nuodingos dujos – anglies monoksidas, – dujos lengvai susijungia su vandeniliu ir sudaro būtinus angliavandenilių junginius, dažniausiai naudojamus pramonėje, tokius kaip metanas ir etanolis, sakė NIST tyrinėtoja Renu Sharma.

Jis ir jo kolegos, Merilendo universiteto mokslininkai Delfte (Nyderlandai), College Park ir DENSsolutions Nyderlanduose Gamtos medžiagos.

“Mes pirmiausia parodėme, kad ši anglies dvideginio reakcija, kuri kitu atveju įvyktų tik esant 700 laipsnių C ar aukštesnei temperatūrai, gali sukelti LSP kambario temperatūroje”, – sakė tyrėjas Canhui Wangas iš NIST ir Merilendo universiteto.

Tyrėjai pasirinko elektronų pluoštą, kad sužadintų LSP, nes sistema taip pat gali naudoti vaizdo struktūras, kurios yra vos viena milijardinė sistemos dalis. Tai leido grupei apskaičiuoti, kiek pašalinta anglies dvideginio. Jie tyrė sistemą naudodami perdavimo elektroninį mikroskopą (TEM).

Kadangi tiek anglies dioksido koncentracija, tiek eksperimento reakcijos tūris buvo labai maži, komanda turėjo imtis specialių veiksmų, kad tiesiogiai matuotų susidariusio anglies monoksido kiekį. Jie tai padarė susieję specialiai modifikuotą dujų elementų atramą iš TEM su dujų chromatografo masių spektrometru, leidžiantį grupei išmatuoti milijonų anglies dioksidų koncentracijos dalis.

Sharma ir jo kolegos taip pat naudojo elektronų pluošto sugeneruotus vaizdus, ​​kad matuotų eksperimente užfiksuoto grafito kiekį, nurodantį, kiek pašalinta anglies dvideginio. Jie nustatė, kad santykis tarp anglies monoksido ir anglies dioksido, išmatuoto dujų elementų bako išleidimo angoje, padidėjo tiesiškai, o ėsdinant pašalinto anglies kiekį.

Vaizdai su elektronų pluoštu patvirtina, kad didžioji anglies dalis – anglies dvideginio kiekio mažinimo priemonė – įvyko šalia aliuminio nanodalelių. Papildomi tyrimai atskleidė, kad kai eksperimente trūko aliuminio nanodalelių, buvo užregistruota tik apie septynis procentus anglies kiekio.

Apribota elektronų pluošto dydžiu, grupės eksperimentinė sistema buvo maža – apie 15–20 nanometrų (mažo viruso dydžio).

Norint padidinti anglies dvideginio pašalinimo iš komercinės gamyklos išmetimo sistemą, šviesos spinduliai gali būti geresnis pasirinkimas nei elektronų pluoštai, kad sužadintų LSP, sakė Wangas. Sharma siūlo, kad skaidrus gaubtas, kuriame yra anglies ir aliuminio nanodalelės, galėtų būti uždėtas ant centrinio dūmtraukio. Šviesos pluoštas, veikiantis tinklą, suaktyvintų LSP. Kai nuotėkiai praeina per įrenginį, šviesos aktyvuojami LSP nanodalelėse suteiktų energijos anglies dioksidui pašalinti.

Prekyboje esančios aliuminio nanodalelės turėtų būti tolygiai paskirstytos, kad maksimaliai padidintų sąlytį su anglies šaltiniu ir gaunamu anglies dioksidu, pažymėjo grupė.

Naujas darbas rodo, kad LSP leidžia atlikti daugelį kitų cheminių reakcijų, kurioms šiuo metu reikia didelės energijos infuzijos, naudojant plazmonines nanodaleles, kad jie galėtų judėti normalioje temperatūroje ir slėgyje.

“Sumažinti anglies dvideginio kiekį yra didelis dalykas, tačiau jis būtų dar didesnis, jei sutaupysime didelius energijos kiekius, kambario temperatūroje galėsime pradėti atlikti daugybę cheminių reakcijų, kurias šiandien reikia pašildyti”, – sakė Sharmakas.

Nuoroda: Canhui Wang, Wei-Chang D. Yang, Davidas Raciti, Alina Bruma, Ronaldas Marxas, Amit Agrawal ir Renu Sharma, „Plasmos endoterminė reakcija, kurią įgalino ultravioletinės plazmos, aktyvuotos kambario temperatūroje“, 2020 m. Lapkričio 2 d. Gamtos medžiagos.
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

Eksperimentas atskleidžia naujas sinchroninių šviesos šaltinių galimybes.

Iliustracija, rodanti, kaip elektronų moduliacija lazeriu buvo panaudota kuriant lazerio šviesą skleidžiančias mikrobangas. Kreditas: Tsinghua universitetas. Tarptautinė komanda, atlikdama jaudinančius eksperimentus, parodė, kaip įvairios yra...

Kaip sumažinti kūno temperatūrą, gali padėti 10% pacientų, kuriems skiriamas didelis dėmesys

Šiame brėžinyje aprašytas tepalas (oranžinis ir geltonas), kuris yra molekulinis sluoksnis oro sąsajoje ir kvėpavimui reikalingas skystis plaučiuose. Naujausi tyrimai parodė, kad terminio...

Apšviesti saulės banguoti langai gamina energiją iš vidaus

Ryžių universiteto inžinieriai sukūrė ir pastatė langus, kurie saulės šviesą ar apšvietimą iš vidaus paverčia periferinėmis kraujo ląstelėmis. Centrinis sluoksnis yra kompozicinis polimeras,...

Gyvenimo ant koralų rifų gausa buvo nuostabi nuo Charleso Darwino laikų – nauji tyrimai pateikia atsakymus

Planktonu maitinančios žuvys dažnai dominuoja vandenynų koralinių rifų žuvų kolekcijoje. Kreditas: Dr. Christina Skinner Tyrimas parodė, kad atviruose vandenynų vandenyse, kurie kažkada buvo...

Egipto mumijos mumijos „Purvo karapasas“ neregėtas gydymas – neteisingo pateikimo atvejis

Kiekvienas mumifikuotas ir uždarytas Sidnėjaus universiteto Chau Chak Wing muziejaus Nicholson kolekcijoje. A. Mumifikuotas asmuo, dabar saugojimui dėvintis rankas, BMR. 27.3. B....

Newsletter

Subscribe to stay updated.