Karbon Emisyonunu Azaltabilecek Yeni Bir Yöntem Geliştirildi
Fotoğraf : Yeni oda sıcaklığı yönteminin gösterimi. Nano ölçekli bu yöntemde, ısı enerjisi yerine, bir elektron demeti (görseldeki dikey ışın), karbonun bir formu olan grafit üzerinde duran alüminyum nanopartiküllere çarptığında uyarılan yüzey plazmonlarının (mor küre) enerjisinden yararlanılır. Grafitin varlığında, plazmonlardan elde edilen enerji yardımıyla, karbondioksit molekülleri (iki kırmızı noktaya bağlı siyah nokta) karbon monoksite (bir kırmızı noktaya bağlanan siyah nokta) dönüştürülür. Mor kürenin altında oluşan delik, CO2 + C = 2CO kimyasal reaksiyonu sırasında grafitin dağılmasını gösterir.
National Institute of Standards and Technology’den (NIST) araştırmacılar, günümüzde atmosferdeki karbon emisyonunun önemli bir kısmını oluşturan termik santrallerdeki CO2 seviyesini büyük ölçüde azaltabilecek, oda sıcaklığında gerçekleşen yeni bir yöntem geliştirdiklerini açıkladılar.
Araştırmacılar bu yeni geliştirdikleri yöntemi sadece küçük ölçekli ve yüksek derecede kontrollü bir ortamda, nanometre boyutlarında göstermiş olmalarına rağmen, yöntemi geliştirmek ve gerçek dünyaya uyarlamak için yeni çalışmalar yapmaya başladılar bile.
Geliştirilen bu yeni yöntem, iklim değişikliğinin etkilerini azaltmak için yeni bir yol sunuyor. Bununla birlikte, prosesin yan ürünleri metan, etanol ve diğer karbonik bileşiklerin sentezlenmesinde gerekli yapıtaşlarını içerdiği için, yöntemin, endüstride sıklıkla kullanılan sıvı hidrokarbonlar ve diğer kimyasalların üretimi için de gerekli enerjiyi sağlayacağı ve maliyetleri düşüreceği tahmin ediliyor.
Ekip, karbondioksiti gideren kimyasal reaksiyonu başlatmak için nanodünyadan yeni bir enerji kaynağına başvurdu. Bu reaksiyonda katı haldeki karbon, karbondioksit gazındaki oksijen atomlarından birine tutunur ve karbondioksiti karbonmonoksite (CO) dönüştürür. Bu dönüşüm normalde yüksek miktarda ısı enerjisi gerektirmektedir. Ancak araştırmacılar, ısı enerjisi yerine alüminyum nanopartiküller üzerinde gezinen ve hareketli elektron dalgalarından kaynaklanan ‘lokalize yüzey plazmonlarının (LYP)’ enerjisinden yararlandı. Nanopartiküller, ayarlanabilir bir çapa sahip elekron ışınıyla uyarılarak, LYP’lerin salınımları tetiklendi. Yaklaşık 1 nanometre çapındaki dar bir ışın alüminyum nanopartikülleri uyarırken, büyük bir nanopartikül kümesi arasında 1000 kat daha geniş LYP’ler oluşturdu.
Deneyde, alüminyum nanopartiküller karbonun bir formu olan grafit tabakası üzerinde biriktirildi. Bu da nanopartiküllerin LYP enerjisini grafite aktarmalarını sağladı. Ekibin sisteme enjekte ettiği karbondioksit gazı varlığında, grafit, karbondioksitten tek tek oksijen atomlarını kopararak onları karbonmonoksite dönüştürdü. Alüminyum nanopartiküllerin oda sıcaklığında muhafaza edildiği bu deneyle birlikte normalde yüksek miktarda enerjinin gerektiği karbondioksitin giderilmesinde, ekip yüksek ısı kaynağına ihtiyaç duymadan karbondioksiti gidermeyi başardı.
Karbondioksitin giderilmesinde yararlanılan önceki yöntemler sınırlı bir başarıya sahipti. Çünkü bu yöntemler yüksek sıcaklık veya basınç gerektiriyordu, zayıf bir etkinliğe sahipti veya yöntemlerde maliyeti yüksek metaller kullanılıyordu. Bu yöntemlerin aksine, LYP metodu yalnızca enerji tasarrufu sağlamıyor, bunun yanında yöntemde ucuz ve bol bulunan alüminyum metali kullanılıyor.
Deneyde karbondioksitin reaksiyona girmesiyle birlikte zararlı bir gaz olan karbonmonoksit oluşmasına rağmen NIST araştırmacısı Renu Sharma, oluşan bu karbonmonoksit gazının endüstride sıklıkla kullanılan metan ve etanol gibi temel hidrokarbon bileşiklerini üretmek üzere hidrojenle kolaylıkla birleştiğini belirtti.
Araştırmacı Canhui Wang ise yapılan deneyle ilgili olarak “Normalde 700 ˚C veya daha yüksek sıcaklıklarda geerçekleşen karbondioksit reaksiyonunun LYP’ler kullanılarak oda sıcaklığında gerçekleşebileceğini gösterdik.” dedi.
Araştırmacılar, LYP’leri harekete geçirmek için, sistemde metrenin milyarda biri kadar küçük yapıları görüntülemek için de kullanılabilecek olan bir elektron ışınından yararlandılar. Bu da araştırmacıların, ne kadar karbondioksit uzaklaştırıldığını tahmin etmelerine yardımcı oldu.
Hem karbondioksitin konsantrasyonu hem de deneyin reaksiyon hacmi çok küçük olduğundan dolayı ekip, üretilen karbonmonoksit miktarını doğrudan ölçmek için bir gaz hücresi tutucusunu bir gaz kromatografi spektrometresine bağladı. Bu sayede yüksek miktarlarda karbondioksit konsantrasyonları da ölçülebildi.
Sharma ve ekip arkadaşları, deney sırasında dağlanan grafit miktarını ölçmek için elektron ışını tarafından üretilen ve ne kadar karbondioksit giderildiğini gösteren görüntüleri de kullandı. Deneyde gaz hücresi tutucusunun çıkışında ölçülen karbonmonoksitin karbondioksite oranının, ayrılan karbon miktarı ile doğrusal olarak arttığı da gözlemlenmiştir.
Elektron ışınıyla görüntüleme, karbon dağlamasının çoğunun alüminyum nanopartiküller çevresinde gerçekleştiğini doğruladı. Ek olarak yapılan çalışmalar, deneyde alüminyum nanopartiküller olmadığı takdirde, karbonun yalnızca yedide birinin dağlandığını ortaya çıkardı.
Ekibin deney sistemi yalnızca 15-20 nanometre genişliğindeki ışının boyutuyla sınırlıydı. Bu da küçük bir virüsün boyutu kadar bir deney sistemi demek. Wang, sistemin enerji santrallerindeki karbondioksiti giderecek ölçekte büyütülmesi için ışık demetinin elektron demeti kullanmaktan daha iyi olabileceğini belirtti. Sharma ise, gevşek bir şekilde paketlenmiş karbon ve alüminyum içeren şeffaf bir muhafazanın santralin bacasının üzerine konumlandırılabileceğini belirtti. Böylelikle şebekeye çarpan bir dizi ışık demeti LYP’leri aktive edecek ve kirli gaz cihazdan geçtiğinde nanopartiküllerdeki ışıkla aktifleştirilen LYP’ler, karbondioksitin giderilmesi için gerekli olan enerjiyi sağlayacaktır. Araştırmacılar, karbon kaynağı ve gelen karbondioksit ile teması en üst düzeye çıkarmak için ise alüminyum nanopartiküllerin eşit olarak dağıtılması gerektiğini açıkladılar.
Yeni çalışma ayrıca, normalde yüksek enerji gerektiren başka kimyasal reaksiyonların da LYP’ler sayesinde normal sıcaklık ve basınç koşullarında gerçekleşmesine olanak sağlıyor.
Sharma yapmış oldukları çalışmayla ilgili “Karbondioksitin giderilmesi büyük bir olay, ancak, şu anda gerçekleştirilmesi için ısı enerjisi gerektiren birçok kimyasal reaksiyonu oda sıcaklığında yapmaya başlayabilirsek, yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlayabileceğimiz daha büyük bir başarı elde etmiş oluruz.” sözlerini kullandı.
Kaynak: scitechdaily.com
