Karbondioksit Emisyonlarını Azaltabilen ve Kimyasal Üretim Maliyetlerini Düşürebilen Yeni Hidrokarbon Sentezleme Yöntemi
Fotoğraf: Molekülü karbon monoksite (CO) dönüştürerek karbondioksiti (CO2) gidermek için yeni bir oda sıcaklığı işleminin bir örneği. Nano ölçekli yöntem, ısıyı kullanmak yerine, bir elektron demeti (dikey ışın), kristalin bir karbon formu olan grafite dayanan alüminyum nanopartiküllere çarptığında uyarılan parçalardan gelen enerjiye dayanır. Grafitin varlığında, plazmonlardan türetilen enerjinin yardımıyla, karbondioksit molekülleri (iki kırmızı noktaya bağlı siyah nokta) karbon monoksite (bir kırmızı noktaya bağlanan siyah nokta) dönüştürülür.
CO2‘nin CO’e Oda Sıcaklığı Dönüşümü
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) araştırmacılar atmosferdeki ana karbon emisyon kaynaklarından biri olan fosil yakıtlı elektrik santrali egzozundaki karbondioksit seviyelerini önemli ölçüde azaltabilecek bir oda sıcaklığı yöntemi buldurlar. Bu yöntemi küçük ölçekli, oldukça kontrollü bir ortamda sadece nanometre boyutlarında (metrenin milyarda biri) göstermiş olsalar da, yöntemi ölçeklendirmek ve gerçek dünya uygulamaları için pratik hale getirmek için çoktan kavramlar geliştirdiler.
İklim değişikliğinin etkilerini hafifletmek için potansiyel yeni bir yol sunmanın yanı sıra, bilim adamları tarafından kullanabilecek bu kimyasal proses, sıvı hidrokarbonların ve endüstri tarafından kullanılan diğer kimyasalların üretilmesi için maliyetleri ve enerji tüketimini de azaltabilir. Bunun nedeni, prosesten elde edilen yan ürünlerinin metan, etanol ve endüstriyel işlemede kullanılan diğer karbon bazlı bileşikleri sentezlemek için yapı taşlarını içermesidir.
Araştırmacılar karbondioksiti ortadan kaldıran kimyasal reaksiyonu tetiklemek için nanodünyadan yeni bir enerji kaynağından yararlandı. Bu reaksiyonda katı karbon, karbondioksit gazındaki oksijen atomlarından birine kenetlenir ve onu karbon monoksite dönüştürür. Dönüşüm normalde yüksek ısı biçiminde önemli miktarda enerji gerektirir.( en az 700 derece sıcaklık).
Araştırmacılar, ısı yerine, tek tek alüminyum nanopartiküller üzerinde gezen lokalize yüzey plazmonları (LSP’ler) olarak bilinen hareketli elektron dalgalarından toplanan enerjiye güvendi ve nanopartikülleri ayarlanabilir bir çapa sahip bir elektron ışınıyla uyararak LSP salınımlarını tetiklediler. Yaklaşık bir nanometre çapında dar bir ışın, tek tek alüminyum nanopartikülleri bombalarken, büyük bir nanopartikül kümesi arasında yaklaşık bin kat daha geniş LSP’ler oluşturdu.
Alüminyum nanopartiküller bir karbon türü olan bir grafit tabakası üzerine yerleştirildi. Bu durum nanopartiküllerin LSP enerjisini grafite aktarmasına izin verdi. Geliştirdikleri sisteme enjekte ettiği karbondioksit gazının varlığında grafit, oksijen atomlarını karbondioksitten kopararak karbon monoksite indirgeme rolünü üstlendi. Alüminyum nanopartiküller oda sıcaklığında tutuldu. Yüksek ısı kaynağına ihtiyaç duymadan karbondioksitten kurtularak bu şekilde ekip büyük bir başarı elde etti.
Eski yöntemler karbondioksiti uzaklaştırmada sınırlı başarıya sahipti, çünkü teknikler yüksek sıcaklık veya basınç gerekiyordu, pahalı değerli metaller kullanılıyordu veya zayıf bir etkinliğe sahipti. Buna karşılık, LSP yöntemi yalnızca enerji tasarrufu sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda ucuz ve bol bir metal olan alüminyumu kullandırıyor.
NIST araştırmacısı Renu Sharma, LSP reaksiyonunun zehirli bir gaz (CO) oluşturmasına rağmen, gazın, endüstride sıklıkla kullanılan metan ve etanol gibi temel hidrokarbon bileşiklerini üretmek için kolayca hidrojen ile birleştiğini söyledi ve bu bulguları Nature Materials’da bildirdi.
NIST ve Maryland Üniversitesi’nden araştırmacı Canhui Wang, “Aksi takdirde sadece 700 veya daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleşecek olan bu karbondioksit reaksiyonunun, oda sıcaklığında LSP’ler kullanılarak tetiklenebileceğini ilk kez gösterdik” dedi.
Araştırmacılar, LSP’leri harekete geçirmek için bir elektron ışını seçtiler çünkü ışın, sistemdeki bir metrenin milyarda biri kadar küçük yapıları görüntülemek için de kullanılabilir. Bu, ekibin ne kadar karbondioksitin uzaklaştırıldığını tahmin etmesini sağladı. Sistemi bir transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanarak incelediler. Deneyin hem karbondioksit konsantrasyonu hem de reaksiyon hacmi çok küçük olduğundan, araştırmacılar üretilen CO miktarını doğrudan ölçmek için özel adımlar atmak zorunda kaldılar. Bunu, TEM’den özel olarak modifiye edilmiş bir gaz hücresi tutucusunu bir gaz kromatografi kütle spektrometresine bağlayarak, ekibin milyonlarca karbondioksit konsantrasyonunu ölçmesine izin vererek yaptılar.
Sharma ve meslektaşları, karbondioksitin alındığının bir göstergesi olarak deney sırasında kazınan grafit miktarını ölçmek için elektron ışını tarafından üretilen görüntüleri de kullandılar.
Gaz hücresi tutucusunun çıkışında ölçülen karbon monoksitin karbondioksite oranının, dağlama ile çıkarılan karbon miktarı ile doğrusal olarak arttığını buldular.
Elektron ışınıyla görüntüleme, karbon dioksit azaltımının bir temsilcisi olan karbon dağlamasının çoğunun alüminyum nanopartiküllerin yakınında gerçekleştiğini de doğruladı.
Ek çalışmalar, çalışmada alüminyum nanopartiküller bulunmadığında, karbonun yalnızca yedide birinin aşındırıldığını ortaya çıkardı. Elektron ışınının boyutuyla sınırlıdır,ekibin deneysel sistemi küçüktü ve sadece yaklaşık 15 ila 20 nanometreydi (örnek olarak küçük bir virüsün boyutu).
Wang, sistemi ticari bir elektrik santralinin egzozundan karbondioksiti çıkaracak şekilde büyütmek için, LSP’leri harekete geçirmek için bir ışık demetinin elektron demetinden daha iyi bir seçim olabileceğini söyledi. Sharma, gevşek bir şekilde paketlenmiş karbon ve alüminyum nanopartiküller içeren şeffaf bir muhafazanın bir elektrik santralinin bacasının üzerine yerleştirilebileceğini öne sürüyor. Şebekeye çarpan bir dizi ışık demeti, LSP’leri etkinleştirecektir. Egzoz cihazdan geçtiğinde, nanopartiküllerdeki ışıkla etkinleştirilen LSP’ler, karbondioksiti uzaklaştırmak için enerji sağlayacaktır.
Ekip, ticari olarak temin edilebilen alüminyum nanopartiküllerin, karbon kaynağı ve gelen karbondioksit ile teması en üst düzeye çıkarmak için eşit olarak dağıtılması gerektiğini belirtti.
Yeni çalışma ayrıca, LSP’lerin, plasmonik nanopartiküller kullanarak normal sıcaklıklarda ve basınçlarda ilerlemek için artık büyük bir enerji infüzyonu gerektiren bir dizi başka kimyasal reaksiyon için bir yol sunduğunu gösteriyor.
Sharma, “Karbondioksitin azaltılması büyük bir mesele, ancak oda sıcaklığında şu anda ısıtma gerektiren birçok kimyasal reaksiyonu yapmaya başlayabilirsek, muazzam miktarda enerji tasarrufu sağlayan daha da büyük bir anlaşma olurdu” dedi.
Kaynak : scitechdaily.com
