Cara baru untuk mensintesis hidrokarbon dapat mengurangi emisi CO2 dan mengurangi biaya produksi bahan kimia

Ilustrasi proses baru pada suhu kamar untuk menghilangkan karbon dioksida (CO2) dengan mengubah molekul menjadi karbon monoksida (CO). Alih-alih menggunakan panas, metode skala nano mengandalkan energi permukaan plasmon (warna ungu) yang tereksitasi ketika berkas elektron (berkas vertikal) mengenai nanopartikel aluminium yang bertumpu pada grafit. , bentuk kristal karbon. Dengan adanya grafit, dibantu energi yang berasal dari plasmon, molekul karbondioksida (titik hitam menempel pada dua titik merah) menjadi karbon monoksida (titik hitam menempel pada titik merah. Lubang di bawah bola) violet mewakili grafit yang terekam selama reaksi kimia CO2 + C = 2CO Kredit: NIST

Konversi suhu lingkungan dari CO2 menjadi CO

Metode baru dapat mengurangi emisi karbon dioksida ke atmosfer dan mengurangi biaya pembuatan bahan kimia.

Para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) dan rekannya telah mendemonstrasikan metode pada suhu ruangan yang secara signifikan dapat mengurangi kadar karbondioksida di knalpot pembangkit listrik berbahan bakar fosil, salah satunya sumber utama emisi karbon ke atmosfer.

Meskipun para peneliti mendemonstrasikan metode ini dalam lingkungan skala kecil yang sangat terkontrol dengan dimensi hanya nanometer (seperseribu meter), mereka telah menemukan konsep untuk memperluas metode dan membuatnya praktis untuk aplikasi dunia. nyata.

Selain menawarkan cara baru yang potensial untuk mengurangi dampak perubahan iklim, proses kimia yang digunakan oleh para ilmuwan juga dapat mengurangi biaya dan kebutuhan energi untuk menghasilkan hidrokarbon cair dan bahan kimia lain yang digunakan oleh industri. Ini karena produk sampingan dari metode tersebut mencakup komponen dasar untuk mensintesis metana, etanol, dan senyawa berbasis karbon lainnya yang digunakan dalam proses industri.

Tim memanfaatkan sumber energi baru dari nanomon untuk menyebabkan reaksi kimia yang menghilangkan karbon dioksida. Dalam reaksi ini, karbon padat menempel pada salah satu atom oksigen dalam gas karbon dioksida, mereduksinya menjadi karbon monoksida. Konversi biasanya membutuhkan energi dalam jumlah besar dalam bentuk panas tinggi, suhu paling sedikit 700 derajat Celsius, cukup panas untuk melelehkan aluminium pada tekanan atmosfer normal.

Alih-alih panas, peralatan mengandalkan energi yang diperoleh dari gelombang perjalanan elektron, yang dikenal sebagai localized surface plasmon (LSPs), yang berkembang menjadi nanopartikel aluminium individu. Tim memicu osilasi LSP dengan menarik nanopartikel dengan berkas elektron yang memiliki diameter yang dapat disesuaikan. Sebuah berkas sempit, berdiameter sekitar satu nanometer, membombardir nanopartikel aluminium individu, sementara berkas sekitar seribu kali lebih lebar menghasilkan LSP antara sekumpulan besar nanopartikel.

Dalam percobaan peralatan, nanopartikel aluminium diendapkan pada lapisan grafit, salah satu bentuk karbon. Ini memungkinkan nanopartikel untuk mentransfer energi LSP ke grafit. Dengan adanya gas karbon dioksida, yang disuntikkan oleh tim ke dalam sistem, grafit berperan untuk merobek atom oksigen individu dari karbon dioksida, menguranginya menjadi karbon monoksida. Nanopartikel aluminium disimpan pada suhu kamar. Dengan cara ini, tim mencapai prestasi penting: menghilangkan karbondioksida tanpa membutuhkan sumber panas yang tinggi.

Metode pembuangan karbon dioksida sebelumnya tidak terlalu berhasil karena teknik tersebut memerlukan suhu atau tekanan tinggi, menggunakan logam mulia yang mahal, atau memiliki efisiensi yang buruk. Sebaliknya, metode LSP tidak hanya menghemat energi, tetapi menggunakan aluminium, logam yang murah dan melimpah.

Meskipun reaksi LSP menghasilkan gas beracun (karbon monoksida), gas tersebut mudah bercampur dengan hidrogen untuk menghasilkan senyawa hidrokarbon esensial, seperti metana dan etanol, yang sering digunakan dalam industri. kata Renu Sharma, seorang peneliti NIST.

Dia dan koleganya, termasuk ilmuwan dari University of Maryland di College Park dan DENSsolutions di Delft, Belanda, melaporkan temuan mereka kepada Bahan alam.

“Kami telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa reaksi karbon dioksida ini, yang seharusnya hanya terjadi pada 700 derajat C atau lebih tinggi, dapat dipicu menggunakan LSP pada suhu kamar,” kata peneliti NIST Canhui Wang dan Universitas Maryland.

Para peneliti memilih berkas elektron untuk menggairahkan LSP, karena berkas tersebut juga dapat digunakan untuk membuat struktur sistem sekecil seperseribu meter. Ini memungkinkan tim untuk memperkirakan jumlah karbon dioksida yang telah dihilangkan. Mereka mempelajari sistem menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM).

Karena konsentrasi karbon dioksida dan volume reaksi percobaan sangat rendah, tim harus mengambil tindakan khusus untuk mengukur langsung jumlah karbon monoksida yang dihasilkan. Mereka melakukan ini dengan menggabungkan dukungan sel gas TEM yang dimodifikasi khusus ke spektrometer massa kromatograf gas, yang memungkinkan tim mengukur bagian per juta konsentrasi karbon dioksida.

Sharma dan rekannya juga menggunakan gambar yang dihasilkan oleh berkas elektron untuk mengukur jumlah grafit yang terekam selama percobaan, indikator jumlah karbon dioksida yang telah dihilangkan. Mereka menemukan bahwa proporsi karbon monoksida dan karbon dioksida yang diukur pada saluran keluar penyangga sel gas meningkat secara linier dengan jumlah karbon yang dihilangkan dengan etsa.

Pencitraan berkas elektron juga mengkonfirmasi bahwa sebagian besar etsa karbon, proxy untuk mengurangi karbon dioksida, terjadi di dekat nanopartikel aluminium. Studi tambahan mengungkapkan bahwa ketika nanopartikel aluminium absen dari percobaan, hanya sekitar sepertujuh karbon yang tercatat.

Dibatasi oleh ukuran berkas elektron, sistem eksperimental peralatan itu kecil, hanya berdiameter 15 hingga 20 nanometer (seukuran virus kecil).

Untuk memperluas sistem sehingga dapat menghilangkan karbon dioksida dari pembuangan pembangkit listrik komersial, berkas cahaya mungkin menjadi pilihan yang lebih baik daripada berkas elektron untuk merangsang LSP, kata Wang. Sharma mengusulkan agar selungkup transparan yang berisi karbon kemasan rendah dan nanopartikel aluminium dapat ditempatkan di cerobong asap pembangkit listrik. Serangkaian berkas cahaya yang memengaruhi jaringan akan mengaktifkan LSP. Ketika knalpot melewati perangkat, LSP yang diaktifkan oleh cahaya dari nanopartikel akan memberikan energi untuk menghilangkan karbon dioksida.

Nanopartikel aluminium, yang tersedia secara komersial, harus didistribusikan secara merata untuk memaksimalkan kontak dengan sumber karbon dan karbon dioksida yang masuk, tim mencatat.

Pekerjaan baru juga menunjukkan bahwa LSP menawarkan jalur untuk sejumlah besar reaksi kimia lain yang sekarang membutuhkan infus energi yang besar untuk berlanjut pada suhu dan tekanan biasa menggunakan nanopartikel plasmonik.

“Mengurangi karbon dioksida adalah masalah besar, tetapi akan menjadi masalah yang lebih besar lagi, menghemat energi dalam jumlah besar, jika kita dapat mulai melakukan banyak reaksi kimia pada suhu kamar yang sekarang membutuhkan pemanasan,” kata Sharma.

Referensi: “Reaksi endotermik pada suhu kamar yang dimungkinkan oleh plasmon ultraviolet dalam” oleh Canhui Wang, Wei-Chang D. Yang, David Raciti, Alina Bruma, Ronald Marx, Amit Agrawal dan Renu Sharma, 2 November 2020, Bahan alam.
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

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.