I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno dimostrato un metodo a temperatura ambiente che potrebbe ridurre significativamente i livelli di anidride carbonica negli scarichi delle centrali elettriche a combustibili fossili, una delle principali fonti di emissioni di carbonio nell'atmosfera.

Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato questo metodo su piccola scala, ambiente altamente controllato con dimensioni di appena nanometri, hanno già escogitato concetti per ampliare il metodo e renderlo pratico per le applicazioni del mondo reale.

Oltre ad offrire un potenziale nuovo modo di mitigare gli effetti del cambiamento climatico, il processo chimico impiegato dagli scienziati potrebbe anche ridurre i costi e il fabbisogno energetico per la produzione di idrocarburi liquidi e altre sostanze chimiche utilizzate dall'industria. Questo perché i sottoprodotti del metodo includono gli elementi costitutivi per la sintesi del metano, etanolo e altri composti a base di carbonio utilizzati nella lavorazione industriale.

Il team ha sfruttato una nuova fonte di energia dal nanomondo per innescare una reazione chimica comune che elimina l'anidride carbonica. In questa reazione, il carbonio solido si aggancia a uno degli atomi di ossigeno nel gas di anidride carbonica, riducendolo a monossido di carbonio. La conversione richiede normalmente quantità significative di energia sotto forma di calore elevato, una temperatura di almeno 700 gradi Celsius, abbastanza caldo da fondere l'alluminio alla normale pressione atmosferica.

Al posto del calore, il team ha fatto affidamento sull'energia raccolta dalle onde di elettroni che viaggiano, noti come plasmoni di superficie localizzati (LSP), che navigano su singole nanoparticelle di alluminio. Il team ha attivato le oscillazioni dell'LSP eccitando le nanoparticelle con un fascio di elettroni che aveva un diametro regolabile. Un raggio stretto, circa un nanometro di diametro, ha bombardato singole nanoparticelle di alluminio mentre un raggio circa mille volte più ampio ha generato LSP tra un ampio insieme di nanoparticelle.

Nell'esperimento del gruppo, le nanoparticelle di alluminio sono state depositate su uno strato di grafite, una forma di carbonio. Ciò ha permesso alle nanoparticelle di trasferire l'energia LSP alla grafite. In presenza di anidride carbonica, che il team ha iniettato nel sistema, la grafite svolgeva il ruolo di strappare singoli atomi di ossigeno dall'anidride carbonica, riducendolo a monossido di carbonio. Le nanoparticelle di alluminio sono state mantenute a temperatura ambiente. In questo modo, il team ha compiuto un'impresa importante:eliminare l'anidride carbonica senza la necessità di una fonte di calore elevato.

I metodi precedenti per rimuovere l'anidride carbonica hanno avuto un successo limitato perché le tecniche hanno richiesto temperature o pressioni elevate, impiegava metalli preziosi costosi, o aveva scarsa efficienza. In contrasto, il metodo LSP non solo consente di risparmiare energia ma utilizza l'alluminio, un metallo economico e abbondante.

Sebbene la reazione LSP generi un gas velenoso, il monossido di carbonio, il gas si combina facilmente con l'idrogeno per produrre composti idrocarburici essenziali, come metano ed etanolo, che sono spesso utilizzati nell'industria, ha detto il ricercatore del NIST Renu Sharma.

Lei e i suoi colleghi, compresi scienziati dell'Università del Maryland a College Park e DENSsolutions, a Delft, Paesi Bassi, hanno riportato i loro risultati in Materiali della natura.

"Abbiamo mostrato per la prima volta che questa reazione di anidride carbonica, che altrimenti accadrà solo a 700 gradi C o più, può essere attivato utilizzando LSP a temperatura ambiente, ", ha affermato il ricercatore Canhui Wang del NIST e dell'Università del Maryland.

I ricercatori hanno scelto un raggio di elettroni per eccitare gli LSP perché il raggio può essere utilizzato anche per immagini di strutture nel sistema piccole come pochi miliardesimi di metro. Ciò ha permesso al team di stimare la quantità di anidride carbonica rimossa. Hanno studiato il sistema utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione (TEM).

Poiché sia ​​la concentrazione di anidride carbonica che il volume di reazione dell'esperimento erano così piccoli, il team ha dovuto adottare misure speciali per misurare direttamente la quantità di monossido di carbonio generato. Lo hanno fatto accoppiando un supporto per cella a gas appositamente modificato dal TEM a uno spettrometro di massa gascromatografo, consentendo al team di misurare le concentrazioni di parti per milione di anidride carbonica.

Sharma e i suoi colleghi hanno anche usato le immagini prodotte dal fascio di elettroni per misurare la quantità di grafite che è stata asportata durante l'esperimento, un indicatore di quanta anidride carbonica è stata sottratta. Hanno scoperto che il rapporto tra monossido di carbonio e anidride carbonica misurato all'uscita del supporto della cella a gas aumentava linearmente con la quantità di carbonio rimossa dall'incisione.

L'imaging con il fascio di elettroni ha anche confermato che la maggior parte dell'incisione del carbonio, un proxy per la riduzione dell'anidride carbonica, si è verificata vicino alle nanoparticelle di alluminio. Ulteriori studi hanno rivelato che quando le nanoparticelle di alluminio erano assenti dall'esperimento, solo un settimo di carbonio è stato inciso.

Limitato dalla dimensione del fascio di elettroni, il sistema sperimentale del team era piccolo, solo circa 15-20 nanometri di diametro (la dimensione di un piccolo virus).

Per ampliare il sistema in modo che possa rimuovere l'anidride carbonica dallo scarico di una centrale elettrica commerciale, un raggio di luce può essere una scelta migliore di un raggio di elettroni per eccitare gli LSP, ha detto Wang. Sharma propone che un involucro trasparente contenente nanoparticelle di carbonio e alluminio confezionate in modo lasco possa essere collocato sopra la ciminiera di una centrale elettrica. Una serie di fasci di luce che colpiscono la griglia attiverebbe gli LSP. Quando lo scarico passa attraverso il dispositivo, gli LSP attivati ​​dalla luce nelle nanoparticelle fornirebbero l'energia per rimuovere l'anidride carbonica.

Le nanoparticelle di alluminio, che sono disponibili in commercio, dovrebbe essere distribuito uniformemente per massimizzare il contatto con la fonte di carbonio e l'anidride carbonica in ingresso, ha notato la squadra.

Il nuovo lavoro suggerisce anche che gli LSP offrono un modo per una serie di altre reazioni chimiche che ora richiedono una grande infusione di energia per procedere a temperature e pressioni ordinarie utilizzando nanoparticelle plasmoniche.

"La riduzione dell'anidride carbonica è un grosso problema, ma sarebbe un affare ancora più grande, risparmiando enormi quantità di energia, se possiamo iniziare a fare molte reazioni chimiche a temperatura ambiente che ora richiedono riscaldamento, " ha detto Sharma.