Ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και οι συνεργάτες τους ανακάλυψαν μια μέθοδο που πραγματοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου και θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα στα καυσαέρια των σταθμών παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα, μια από τις κύριες πηγές εκπομπών άνθρακα στην ατμόσφαιρα.
Η ερευνήτρια του NIST, Renu Sharma και οι συνεργάτες της, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ στο College Park και της DENSsolutions, στο Ντελφτ της Ολλανδίας, παρουσίασαν τα ευρήματά τους στο Nature Materials με τίτλο «Endothermic reaction at room temperature enabled by deep-ultraviolet plasmons».
Αν και οι ερευνητές εφάρμοσαν αυτήν τη μέθοδο σε ένα μικρό ελεγχόμενο περιβάλλον μικρής κλίμακας με διαστάσεις μόλις νανομέτρων (δισεκατομμυριοστά του μέτρου), έχουν ήδη κάνει ήδη βήματα για την εφαρμογή της μεθόδου σε μεγαλύτερη κλίμακα και για να την καταστήσουν πρακτική σε εφαρμογές πραγματικού κόσμου.
Εκτός από την προσφορά ενός δυνητικού νέου τρόπου μετριασμού των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, η χημική διαδικασία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες θα μπορούσε επίσης να μειώσει το κόστος και τις ενεργειακές απαιτήσεις για την παραγωγή υγρών υδρογονανθράκων και άλλων χημικών που χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία. Αυτό συμβαίνει επειδή τα υποπροϊόντα της μεθόδου περιλαμβάνουν τα δομικά στοιχεία για τη σύνθεση μεθανίου, αιθανόλης και άλλων ενώσεων με βάση τον άνθρακα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανική επεξεργασία.
Η ομάδα αξιοποίησε μια πρωτότυπη πηγή ενέργειας από τον νανόκοσμο για να πυροδοτήσει μια χημική αντίδραση που «εξαφανίζει» το διοξείδιο του άνθρακα. Σε αυτήν την αντίδραση, ο στερεός άνθρακας δεσμεύεται με ένα από τα άτομα οξυγόνου του αέριου διοξειδίου του άνθρακα, μετατρέποντας τον σε μονοξείδιο του άνθρακα. Η μετατροπή απαιτεί συνήθως σημαντικές ποσότητες ενέργειας με τη μορφή υψηλής θερμότητας - θερμοκρασία τουλάχιστον 700 °C.
Αντί της θερμότητας, η ομάδα βασίστηκε στην ενέργεια που συλλέχθηκε από τα κύματα των ηλεκτρονίων, γνωστά ως Localized Surface Plasmons (LSPs), τα οποία κυμαίνονται σε μεμονωμένα νανοσωματίδια αλουμινίου. Η ομάδα πυροδότησε τις ταλαντώσεις LSP με τη διέγερση των νανοσωματιδίων με μια δέσμη ηλεκτρονίων που είχε ρυθμιζόμενη διάμετρο. Μια στενή δέσμη, διαμέτρου περίπου ενός νανομέτρου, βομβαρδίστηκε μεμονωμένα νανοσωματίδια αλουμινίου, ενώ μια δέσμη περίπου χίλιες φορές ευρύτερα δημιουργημένα LSP μεταξύ ενός μεγάλου συνόλου νανοσωματιδίων.
Στο πείραμα της ομάδας, τα νανοσωματίδια αλουμινίου εναποτέθηκαν σε ένα στρώμα γραφίτη, μια μορφή άνθρακα. Αυτό επέτρεψε στα νανοσωματίδια να μεταφέρουν την ενέργεια LSP στον γραφίτη. Παρουσία αερίου διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο εγχύθηκε από την ομάδα στο σύστημα, ο γραφίτης χρησίμευσε το ρόλο της απομάκρυνσης μεμονωμένων ατόμων οξυγόνου από διοξείδιο του άνθρακα, μειώνοντάς το σε μονοξείδιο του άνθρακα. Τα νανοσωματίδια αλουμινίου διατηρήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα πέτυχε ένα σημαντικό επίτευγμα: να απαλλαγούμε από το διοξείδιο του άνθρακα χωρίς την ανάγκη για πηγή υψηλής θερμότητας.
Αν και η αντίδραση LSP παράγει ένα δηλητηριώδες αέριο - μονοξείδιο του άνθρακα - το αέριο συνδυάζεται εύκολα με υδρογόνο για την παραγωγή βασικών ενώσεων υδρογονανθράκων, όπως το μεθάνιο και η αιθανόλη, που χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανία, δήλωσε η ερευνήτρια του NIST, Renu Sharma.
«Δείξαμε για πρώτη φορά ότι αυτή η αντίδραση διοξειδίου του άνθρακα, η οποία διαφορετικά θα συμβεί μόνο στους 700 °C ή υψηλότερη, μπορεί να ενεργοποιηθεί χρησιμοποιώντας LSPs σε θερμοκρασία δωματίου», δήλωσε ο ερευνητής Canhui Wang του NIST και του Πανεπιστημίου του Maryland.
«Η μείωση του διοξειδίου του άνθρακα είναι μια μεγάλη υπόθεση, αλλά θα ήταν ακόμη μεγαλύτερη συμφωνία, εξοικονομώντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αν μπορούμε να αρχίσουμε να κάνουμε πολλές χημικές αντιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου που τώρα απαιτούν θέρμανση», κατέληξε η Sharma.
Comments