新工艺利用局域表面等离子体激元(LSPs)在室温下去除二氧化碳

Frontier 11月 04, 2020 2.13w 浏览 0

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和他们的同事已经展示了一种新工艺，新工艺利用局域表面等离子体激元(LSPs)在室温下去除二氧化碳，该方法可以显著降低化石燃料发电厂废气中的二氧化碳水平，这是大气中碳排放的主要来源之一。

虽然研究人员在一个小规模、高度控制的环境中展示了这种方法，其尺寸仅为纳米（十亿分之一米），但他们已经提出了扩大该方法的概念，并使其在现实世界中得到实际应用。

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用化学品的成本和能源需求。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的构件。

该团队从纳米世界中挖掘出一种新型能源，以触发一种消除二氧化碳的普通化学反应。在这个反应中，固体碳会吸附在二氧化碳气体中的一个氧原子上，将其还原成一氧化碳。这种转换通常需要大量的高热能量–温度至少为700˚C，足以在正常大气压下熔化铝。

该团队依靠从电子波（即局部表面等离子体激元（LSPs））中获取的能量来代替热量，这些电子波在单个铝纳米颗粒上冲浪。该团队通过用直径可调的电子束刺激纳米颗粒来触发LSP振荡。直径约一纳米的窄光束轰击单个铝纳米粒子，而宽约一千倍的光束则在大量纳米颗粒中产生了LSP。

通过将分子转化为CO来去除CO ₂的新型室温过程的图示。纳米级方法不使用热量，而是依赖于表面等离激元（紫红色）的能量，当电子束（垂直束）照射时，表面等离激元（紫红色）撞击搁在石墨上的铝纳米颗粒，石墨是碳的结晶形式。在存在石墨的情况下，借助于等离激元产生的能量，二氧化碳分子（黑点结合到两个红点上）被转化为一氧化碳（黑点结合到一个红点上。紫色球下面的孔代表在化学反应中被腐蚀掉的石墨CO ₂ + C = 2CO。

在该小组的实验中，铝纳米颗粒沉积在一层石墨上，石墨是一种碳。这使纳米颗粒将LSP能量转移到石墨上。在团队注入到系统中的二氧化碳气体下，石墨起到了从二氧化碳中去除单个氧原子的作用，将其还原为一氧化碳。铝纳米颗粒保持在室温下。通过这种方式，该团队完成了一项壮举：无需使用高热量源就可以消除二氧化碳。

以前的脱二氧化碳方法获得的成功有限，因为该技术需要高温或高压，使用昂贵的贵金属或效率低下。相反，LSP方法不仅节省能源，而且使用铝（一种廉价而丰富的金属）。

NIST研究人员Renu Sharma表示，一氧化碳很容易与氢结合，产生必需的碳氢化合物，例如甲烷和乙醇，这些化合物经常在工业中使用。

科学家在《自然材料》中报告了他们的研究成果。

研究人员选择了一个电子束来激发LSP，因为电子束也可以用于对系统中的结构进行成像，该结构小至数十亿分之一米。这使团队能够估算出去除了多少二氧化碳。他们使用透射电子显微镜（TEM）研究了该系统。由于实验中的二氧化碳浓度和反应量都很小，因此研究小组必须采取特殊步骤直接测量一氧化碳的产生量。他们这样做是通过将经过特殊修饰的TEM气室固定器与TEM耦合到气相色谱质谱仪上，从而使团队能够测量百万分之几的二氧化碳浓度。

研究团队还使用电子束产生的图像来测量实验中蚀刻掉的石墨量，该量代表了去除了多少二氧化碳。他们发现，在气室支架出口处测得的一氧化碳与二氧化碳之比随通过蚀刻去除的碳量线性增加。

用电子束成像还证实，大多数碳蚀刻（一种减少二氧化碳的方法）发生在铝纳米颗粒附近。进一步的研究表明，当实验中不存在铝纳米颗粒时，仅蚀刻了大约七分之一的碳。获取更多前沿科技信息访问：https://byteclicks.com

受电子束大小的限制，该小组的实验系统很小，直径只有15至20纳米。该论文的主要作者王灿辉说，为了扩大该系统的规模，以便可以从商业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。

夏尔马（Sharma）提出，可以在电厂烟囱上方放置一个包含松散堆积的碳和铝纳米粒子的透明外壳。入射到格栅上的光束阵列将激活LSP。当废气通过设备时，纳米颗粒中的光活化LSP将提供能量以去除二氧化碳。

研究小组指出，可商购的铝纳米颗粒应均匀分布，以最大程度地与碳源和进入的二氧化碳接触。

这项新工作还表明，LSPs提供了一系列其他化学反应的方法，这些化学反应现在需要大量注入能量，才能在常温常压下使用等离激元纳米颗粒进行反应。

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