Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har visat en rumstemperaturmetod som avsevärt kan minska koldioxidnivåerna i fossilbränslekraftverks avgaser, en av de viktigaste källorna till koldioxidutsläpp i atmosfären.

Även om forskarna demonstrerade denna metod i liten skala, mycket kontrollerad miljö med dimensioner på bara nanometer, de har redan kommit på koncept för att skala upp metoden och göra den praktisk för verkliga tillämpningar.

Förutom att erbjuda ett potentiellt nytt sätt att mildra effekterna av klimatförändringar, den kemiska process som forskarna använder kan också minska kostnader och energibehov för att producera flytande kolväten och andra kemikalier som används av industrin. Det beror på att metodens biprodukter inkluderar byggstenarna för att syntetisera metan, etanol och andra kolbaserade föreningar som används i industriell bearbetning.

Teamet utnyttjade en ny energikälla från nanovärlden för att utlösa en kemisk reaktion som eliminerar koldioxid. I denna reaktion, fast kol låser sig på en av syreatomerna i koldioxidgas, reducera det till kolmonoxid. Omvandlingen kräver normalt betydande mängder energi i form av hög värme – en temperatur på minst 700 grader Celsius, tillräckligt varmt för att smälta aluminium vid normalt atmosfärstryck.

Istället för värme, laget förlitade sig på energin som skördades från vandringsvågor av elektroner, känd som lokaliserade ytplasmoner (LSPs), som surfar på enskilda nanopartiklar av aluminium. Teamet utlöste LSP-svängningarna genom att excitera nanopartiklarna med en elektronstråle som hade en justerbar diameter. En smal stråle, ungefär en nanometer i diameter, bombarderade enskilda nanopartiklar av aluminium medan en stråle som är ungefär tusen gånger bredare genererade LSP:er bland en stor uppsättning av nanopartiklarna.

I lagets experiment, nanopartiklarna av aluminium avsattes på ett lager av grafit, en form av kol. Detta gjorde det möjligt för nanopartiklarna att överföra LSP-energin till grafiten. I närvaro av koldioxidgas, som teamet injicerade i systemet, grafiten tjänade rollen som att plocka individuella syreatomer från koldioxid, reducera det till kolmonoxid. Nanopartiklarna av aluminium hölls vid rumstemperatur. På det här sättet, teamet åstadkom en stor bedrift:att bli av med koldioxiden utan att behöva en källa till hög värme.

Tidigare metoder för att ta bort koldioxid har haft begränsad framgång eftersom teknikerna har krävt hög temperatur eller tryck, använde dyra ädelmetaller, eller hade dålig effektivitet. I kontrast, LSP-metoden sparar inte bara energi utan använder aluminium, en billig och riklig metall.

Även om LSP-reaktionen genererar en giftig gas - kolmonoxid - kombineras gasen lätt med väte för att producera viktiga kolväteföreningar, som metan och etanol, som ofta används inom industrin, sa NIST-forskaren Renu Sharma.

Hon och hennes kollegor, inklusive forskare från University of Maryland i College Park och DENSsolutions, i Delft, Nederländerna, rapporterade sina fynd i Naturmaterial.

"Vi visade för första gången att denna koldioxidreaktion, vilket annars bara kommer att ske vid 700 grader C eller högre, kan utlösas med hjälp av LSP:er vid rumstemperatur, " sa forskaren Canhui Wang från NIST och University of Maryland.

Forskarna valde en elektronstråle för att excitera LSP:erna eftersom strålen också kan användas för att avbilda strukturer i systemet så små som några miljarddelar av en meter. Detta gjorde det möjligt för teamet att uppskatta hur mycket koldioxid som hade tagits bort. De studerade systemet med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop (TEM).

Eftersom både koncentrationen av koldioxid och reaktionsvolymen i experimentet var så liten, teamet var tvungen att vidta särskilda åtgärder för att direkt mäta mängden genererad kolmonoxid. De gjorde det genom att koppla en speciellt modifierad gascellhållare från TEM till en gaskromatografmasspektrometer, så att teamet kan mäta koncentrationer av koldioxid i miljondelar.

Sharma och hennes kollegor använde också bilderna som producerades av elektronstrålen för att mäta mängden grafit som etsades bort under experimentet, en proxy för hur mycket koldioxid som hade tagits bort. De fann att förhållandet mellan kolmonoxid och koldioxid mätt vid utloppet av gascellshållaren ökade linjärt med mängden kol som avlägsnades genom etsning.

Avbildning med elektronstrålen bekräftade också att det mesta av koletsningen - en proxy för koldioxidreduktion - inträffade nära aluminiumnanopartiklarna. Ytterligare studier avslöjade att när aluminiumnanopartiklarna var frånvarande i experimentet, endast omkring en sjundedel så mycket kol etsades.

Begränsad av storleken på elektronstrålen, lagets experimentella system var litet, endast cirka 15 till 20 nanometer i diameter (storleken på ett litet virus).

För att skala upp systemet så att det kan ta bort koldioxid från avgaserna från ett kommersiellt kraftverk, en ljusstråle kan vara ett bättre val än en elektronstråle för att excitera LSP:erna, sa Wang. Sharma föreslår att ett genomskinligt hölje som innehåller löst packade nanopartiklar av kol och aluminium kan placeras över skorstenen på ett kraftverk. En grupp av ljusstrålar som träffar nätet skulle aktivera LSP:erna. När avgaserna passerar genom enheten, de ljusaktiverade LSP:erna i nanopartiklarna skulle ge energin för att avlägsna koldioxid.

Nanopartiklarna av aluminium, som är kommersiellt tillgängliga, bör fördelas jämnt för att maximera kontakten med kolkällan och den inkommande koldioxiden, laget noterade.

Det nya arbetet föreslår också att LSP erbjuder ett sätt för en mängd andra kemiska reaktioner som nu kräver en stor infusion av energi för att fortsätta vid vanliga temperaturer och tryck med plasmoniska nanopartiklar.

"Reduktion av koldioxid är en stor sak, men det skulle vara en ännu större sak, spara enorma mängder energi, om vi kan börja utföra många kemiska reaktioner vid rumstemperatur som nu kräver uppvärmning, sa Sharma.