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最新技术可实现在室温下将二氧化碳转化为一氧化碳

1482    2020-11-13    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员展示了一种可以在室温下显著降低化石燃料发电厂废气中二氧化碳含量的方法,这种废气是大气中碳排放的主要来源之一。尽管研究人员只在一个小规模、高度受控的环境中演示了这种方法,环境尺寸为纳米级(10-9 m),但他们已经提出了扩大这种方法的概念,并使其在现实世界中的应用变得切实可行。

除了提供一种可能减轻气候变化影响的新方法外,科学家们采用的化学工艺还可以降低生产液态碳氢化合物和其他工业化学品的成本和能源需求。这是因为该方法的副产品包括合成甲烷、乙醇和其他工业加工中使用的碳基化合物材料。

图为室温下将二氧化碳(CO2)转化为一氧化碳(CO)的实验过程。这种纳米级的方法不需要热量,而是依靠表面等离子体(紫色)的能量。当一束电子(垂直光束)撞击位于石墨上的铝纳米粒子时,借助等离子体激发产生的能量,二氧化碳分子(黑点与两个红点结合的图示)转化为一氧化碳(黑点与一个红点结合的图示)。紫色球体下方的孔表示在化学反应CO2+ C = 2CO中被腐蚀掉的石墨。

研究小组利用来自纳米世界的一种新型能源触发了消除二氧化碳的常规化学反应。在该反应中,固体碳吸附在二氧化碳气体中的一个氧原子上,将其还原为一氧化碳。这种转换通常需要大量的能量且以高温(至少700℃)的形式出现,这种条件足以在正常大气压下熔化铝。

通过单个铝纳米颗粒上行进的电子波(称为局域表面等离子体振子,LSP)获取能量,实验人员用直径可调的电子束激发纳米粒子,从而触发LSP振荡。一束直径约一纳米的窄光束可以轰击单个铝纳米粒子,而宽约一千倍的光束则在大量纳米粒子之间产生LSP。

在该实验中,铝纳米粒子沉积在一层石墨(一种碳形式)上,这使得纳米颗粒能够将LSP的能量转移到石墨上。在有二氧化碳气体存在的情况下,研究人员将其注入到系统中,石墨起到从二氧化碳中提取单个氧原子的作用,将其还原为一氧化碳。因纳米铝是在室温下保存的,所以通过这种方式,该团队实现了一个重大突破:在不需要高热量来源的情况下分解了二氧化碳。

以前的实验去除二氧化碳的方法均很有限,因为这些技术需要高温或高压,或需使用贵金属,且效率低下。相比之下,LSP方法不仅可以节约能源,而且使用的是廉价且丰富铝金属。

NIST的研究人员Renu Sharma说,尽管LSP反应会产生一种有毒气体——一氧化碳,但这种气体很容易与氢气结合,生成工业上常用的碳氢化合物,如甲烷和乙醇。她和她的同事(包括来自马里兰大学帕克分校和荷兰DENSsolutions公司的科学家),在《Nature Materials》上发表了他们的实验结果。NIST和马里兰大学研究员Canhui Wang说:“我们首次证明了在室温下LSP可以触发这种二氧化碳反应,否则只能在700 ℃或更高的温度下才会发生。”

研究人员之所以选择电子束来激发LSP,是因为该电子束可用于纳米结构的成像系统中,这使研究小组能够估算出被清除的二氧化碳总量,他们并采用透射电子显微镜(TEM)来研究这个系统。

由于实验中二氧化碳的浓度和反应量都很小,研究小组必须采用特殊步骤来直接测量一氧化碳的产生量。他们将特殊改造的气体电池支架从瞬变电磁仪连接到气相色谱质谱仪上,从而来实现一氧化碳的测定,这也使得该团队能够测量百万分之几的二氧化碳浓度。

Sharma和她的同事们还利用电子束生成的图像来测量实验过程中被侵蚀石墨的量,从而算出二氧化碳被还原了多少。他们发现,在气体电池容器出口测量的一氧化碳与二氧化碳的比率,会随着蚀刻去除碳量的增加而线性增加,电子束成像也证实了大部分碳蚀刻(代表二氧化碳的减少)发生在铝纳米颗粒附近。另外的研究表明,当实验中没有铝纳米粒子时,蚀刻的碳大约只有七分之一。

受电子束大小的限制,该团队的实验系统很小,宽度只有大约15~20 nm (一个小型病毒的大小)。Wang说,为了扩大该系统的规模,使它能够从商业发电厂的废气中去除二氧化碳,光束可能比电子束激发LSP更好。Sharma建议可以在发电厂的烟囱上方放置一种透明的内含松散碳和铝纳米颗粒的外壳,一组照射在网格上的光束将激活LSP。当废气通过该装置时,纳米粒子中的光激活LSP从而提供能量来去除二氧化碳。研究小组指出,购买的铝纳米颗粒应该均匀分布,以最大限度地与碳源和进入的二氧化碳接触。

这项新研究还表明,LSP为许多其他化学反应提供了一种方法,这类化学反应均需要大量的能量注入才能在常温和常压下使用等离子体纳米颗粒进行。Sharma说:“减少二氧化碳排放是一件大事,但如果我们可以在室温下进行许多原本需要加热才能完成的化学反应,那么节省大量能源将更有意义。”



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