Nový způsob syntézy uhlovodíků, který může snížit emise CO2 a snížit náklady při výrobě chemikálií

Popište nový proces pokojové teploty k získání oxidu uhličitého (CO2) přeměnou molekuly na oxid uhelnatý (CO). Místo použití tepla se metoda v nano měřítku spoléhá na energii z horního plazmonu (fialový odstín), která je vzrušena, když paprsek elektronů (vertikální paprsek) narazí na nanočástice hliníku spočívající na grafitu , krystalická forma uhlíku. V přítomnosti grafitu, podporovaného energií získanou z plasmonu, se molekuly oxidu uhličitého (černé tečky vázané dvěma červenými tečkami) převádějí na oxid uhelnatý (černé tečky vázané červeným barvivem) grafit vyrytý během chemické reakce CO2 + C = 2CO. Kredit: NIST

Převod teploty teploty CO2 na CO

Nová metoda umožňuje snížit emise oxidu uhličitého do atmosféry a snížit náklady na chemickou výrobu.

Vědci z Národního institutu pro standardy a technologii (NIST) a jejich kolegové navrhli metodu pokojové teploty, která snižuje hladinu oxidu uhličitého ve výfuku fosilní elektrárny, jednoho z hlavních zdrojů emise uhlíku v atmosféře.

I když vědci demonstrovali tuto metodu v malém, vysoce kontrolovaném prostředí měřícím nanometry (miliardy metrů), přišli s koncepty pěstování této metody a učinili ji praktickou pro skutečný svět. aplikace.

Kromě toho, že chemický proces používaný vědci nabízí potenciálně inovativní způsob snižování dopadů změny klimatu, může také snížit náklady a energetické požadavky na výrobu kapalných uhlovodíků a další chemikálie používané v průmyslu. Protože vedlejší produkty v procesu zahrnují stavební kameny pro syntézu methanu, ethanolu a dalších sloučenin na bázi uhlíku používaných ve zpracovatelském průmyslu.

Tým poklepal na nový zdroj energie z nanosvěta, aby spustil průběžnou chemickou reakci, která odstraňuje oxid uhličitý. Při této reakci pevný uhlík zapadne do jednoho z atomů kyslíku v plynném oxidu uhličitém a přemění ho na oxid uhelnatý. Změna často vyžaduje významnou energii ve formě vysokého tepla – teploty nejméně 700 stupňů Celsia, dostatečné teplo k roztavení hliníku za normálního atmosférického tlaku.

Místo tepla se tým spoléhá na energii získanou z pohybujících se vln elektronů, známých jako lokalizované povrchové plazmony (LSP), které procházejí jednotlivými nanočásticemi hliníku. Tem vytváří oscilace LSP připojením nanočástic elektronovým paprskem s nastavitelným průměrem. Úzký paprsek o průměru asi nanometru bombarduje jednotlivé nanočástice hliníku, zatímco paprsek téměř tisíckrát širší generuje LSP mezi více sadami nanočástice.

V týmovém experimentu byly nanočástice hliníku umístěny do vrstvy grafitu, což je typ uhlíku. To umožňuje nanočásticím přenést silný LSP na grafit. V přítomnosti plynného oxidu uhličitého vstřikovaného systémovým týmem hraje grafit roli při extrakci jednotlivých atomů kyslíku z oxidu uhličitého a jeho přeměně na oxid uhelnatý. Hliníkové nanočástice se udržují při pokojové teplotě. Tímto způsobem tým dosáhne jedné důležité věci: odstranění oxidu uhličitého, aniž by musel být zdrojem vysokého tepla.

Dosavadní metody odstraňování oxidu uhličitého mají omezený úspěch, protože tyto metody vyžadují vysokou teplotu nebo tlak, použití drahých kovů nebo špatně účinné. Naproti tomu metoda LSP nejen šetří energii, ale využívá i hliník, levnější a kovový materiál.

I když reakce LSP produkuje toxický plyn – oxid uhelnatý – plyn rychle kombinuje vodík za vzniku základních uhlovodíkových sloučenin, jako je methan a ethanol, které se běžně používají v průmyslu, podle vědců NIST Renu Sharma.

On a jeho kolegové spolu s vědci z University of Maryland v College Park a DENSsolutions v nizozemském Delftu informují o svých zjištěních Přírodní materiály.

„Poprvé jsme ukázali, že tato reakce s oxidem uhličitým, který, pokud se nevyskytuje pouze při teplotě 700 ° C nebo vyšší, může být aktivována pomocí LSP při pokojové teplotě,“ říká výzkumník Canhui Wang z NIST a University of Maryland.

Vědci zvolili elektronový paprsek ke stimulaci LSP, protože paprsek lze také použít v obrazových strukturách systému malých až několik miliard metrů. Díky tomu tým odhaduje, kolik oxidu uhličitého je odstraněno. Studovali systém pomocí transmisního elektronového mikroskopu (TEM).

Protože koncentrace oxidu uhličitého je stejná jako reakční objem experimentu, musí tým podniknout speciální kroky k přímému měření množství produkovaného oxidu uhelnatého. Udělali to kopírováním vysoce modifikovaného držáku plynových buněk z TEM do hmotnostního spektrometru plynového chromatografu, což týmu umožnilo měřit koncentrace uhlíku na milion dílů oxid uhličitý.

Sharma a kolegové také použili obrázky z elektronových paprsků k měření množství grafitu vyřezaného během experimentu, což je ukazatel toho, kolik oxidu uhličitého bylo odstraněno. Zjistili, že poměr oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého měřený na výstupu držáku plynových článků se zvyšuje v souladu s množstvím uhlíku odstraněného při leptání.

Zobrazování pomocí elektronových paprsků také potvrdilo, že většina leptání uhlíku – proxy pro redukci oxidu uhličitého – se vyskytuje v blízkosti nanočástic hliníku. Další studie ukazují, že při absenci nanočástic hliníku z experimentu byla vyryta pouze asi sedmina uhlíku.

Na základě velikosti elektronového paprsku je systém týmového experimentu malý, má velikost jen asi 15 až 20 nanometrů (velikost malého viru).

Pro zvýšení systému pro extrakci oxidu uhličitého z výfuku elektrárny může být světelný paprsek lepší volbou než elektronový paprsek pro stimulaci LSP, řekl Wang. Sharma navrhuje, aby na komín elektrárny mohl být umístěn průhledný kryt obsahující vnitřně zabalené nanočástice uhlíku a hliníku. Série žárovek, které lpí na mřížce, mohou aktivovat LSP. Když kouřovod prochází zařízením, světlo aktivované LSP v nanočásticích poskytují energii k absorpci oxidu uhličitého.

Hliníkové nanočástice, které lze komerčně použít, by podle týmu měly být rovnoměrně rozloženy, aby se zvýšil kontakt se zdrojem uhlíku a budoucím oxidem uhličitým.

Nová práce také naznačuje, že LSP nabízejí způsob eliminace dalších chemických reakcí, které nyní vyžadují velké množství infuze energie k udržení jednoduché teploty a tlaku pomocí plazmonických nanočástic.

„Snižování oxidu uhličitého je faktorem, ale může to být mnohem větší problém a ušetřit spoustu energie, pokud můžeme zahájit mnoho chemických reakcí při pokojové teplotě, které nyní potřebují zahřát,“ řekl Sharma.

Reference: „Endotermická reakce na pokojovou teplotu způsobená hlubokými ultrafialovými plazmony“ autorů Canhui Wang, Wei-Chang D. Yang, David Raciti, Alina Bruma, Ronald Marx, Amit Agrawal a Renu Sharma, 2. listopadu 2020, Přírodní materiály.
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

Aby se objev urychlil, vychází z mřížky vysoce dimenzionální infračervený mikroskop

Příklad vzoru dlaždice použitého ke skenování kulatého červa C. elegans. Non-grid pattern dává algoritmu vzorkování větší flexibilitu pro rychlé resetování oblastí zájmu. ...

Starověcí zirkonové říkají, že desková tektonika začala před 3,6 miliardami let – významná událost pro přivítání Země k životu

Zirkony studované výzkumným týmem byly vyfotografovány pomocí katholluminiscence, techniky, která umožňuje týmu vizualizovat vnitřek krystalů pomocí speciálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Tmavé kruhy na...

Můžeme opioidy zvýšit návykovostí? [Video]

V roce 2017 byly miliony lidí po celém světě závislí na opioidech a 115 000 zemřelo na předávkování. Opioidy jsou nejsilnější léky proti bolesti, které...

V místě vazby protilátek ve variantách viru COVID-19 – hlavní důsledky pro budoucí vakcíny

Výzkumný tým Penn State zjistil, že N protein na SARS-CoV-2 je uložen ve všech pandemických koronavirech souvisejících se SARS (nahoře vlevo: SARS-CoV-2, civet, SARS-CoV,...

NASA investuje 105 milionů amerických dolarů do vývoje inovativních technologií pro malé podniky ve Spojených státech

NASA Má dlouhou historii podpory amerických podnikatelů při vývoji technologií od nápadu po obchodní připravenost. Agenturní program Small Business Innovation Research (SBIR) dále podporoval...

Newsletter

Subscribe to stay updated.