Ilustración de un nuevo proceso a temperatura ambiente para eliminar el dióxido de carbono (CO2) convirtiendo la molécula en monóxido de carbono (CO). En lugar de usar calor, el método a nanoescala se basa en la energía de los plasmones superficiales (tono violeta) que se excitan cuando un haz de electrones (haz vertical) golpea nanopartículas de aluminio que descansan sobre grafito, una forma cristalina de carbono. En presencia del grafito, con la ayuda de la energía derivada de los plasmones, las moléculas de dióxido de carbono (punto negro unido a dos puntos rojos) se convierten en monóxido de carbono (punto negro unido a un punto rojo. El agujero debajo de la esfera violeta representa el grafito grabado durante la reacción química CO2 + C = 2CO. Crédito: NIST
Conversión de CO2 a CO a temperatura ambiente
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han demostrado un método a temperatura ambiente que podría reducir significativamente los niveles de dióxido de carbono en los gases de escape de las centrales eléctricas de combustibles fósiles, una de las principales fuentes de emisiones de carbono en la atmósfera.
Aunque los investigadores demostraron este método en un entorno a pequeña escala y altamente controlado con dimensiones de solo nanómetros (mil millonésimas de metro), ya han ideado conceptos para ampliar el método y hacerlo práctico para aplicaciones del mundo real.
Además de ofrecer una nueva forma potencial de mitigar los efectos del cambio climático, el proceso químico empleado por los científicos también podría reducir los costos y los requisitos energéticos para producir hidrocarburos líquidos y otros productos químicos utilizados por la industria. Esto se debe a que los subproductos del método incluyen los componentes básicos para sintetizar metano, etanol y otros compuestos a base de carbono utilizados en el procesamiento industrial.
El equipo aprovechó una nueva fuente de energía del nano-mundo para desencadenar una reacción química común y corriente que elimina el dióxido de carbono. En esta reacción, el carbono sólido se adhiere a uno de los átomos de oxígeno en el gas dióxido de carbono, reduciéndolo a monóxido de carbono. La conversión normalmente requiere cantidades significativas de energía en forma de calor elevado, una temperatura de al menos 700 grados. Celsius, lo suficientemente caliente como para fundir el aluminio a la presión atmosférica normal.
En lugar de calor, el equipo se basó en la energía obtenida de las ondas viajeras de electrones, conocidas como plasmones de superficie localizada (LSP), que navegan sobre nanopartículas de aluminio individuales. El equipo desencadenó las oscilaciones del LSP al excitar las nanopartículas con un haz de electrones que tenía un diámetro ajustable. Un haz estrecho, de aproximadamente un nanómetro de diámetro, bombardeó nanopartículas de aluminio individuales mientras que un haz unas mil veces más ancho generaba LSP entre un gran conjunto de nanopartículas.
En el experimento del equipo, las nanopartículas de aluminio se depositaron sobre una capa de grafito, una forma de carbono. Esto permitió que las nanopartículas transfirieran la energía LSP al grafito. En presencia de dióxido de carbono, que el equipo inyectó en el sistema, el grafito cumplió la función de extraer átomos de oxígeno individuales del dióxido de carbono, reduciéndolo a monóxido de carbono. Las nanopartículas de aluminio se mantuvieron a temperatura ambiente. De esta manera, el equipo logró una gran hazaña: deshacerse del dióxido de carbono sin la necesidad de una fuente de calor.
Los métodos anteriores para eliminar el dióxido de carbono han tenido un éxito limitado porque las técnicas requerían alta temperatura o presión, empleaban metales preciosos costosos o tenían poca eficiencia. Por el contrario, el método LSP no solo ahorra energía, sino que utiliza aluminio, un metal barato y abundante.
Aunque la reacción del LSP genera un gas venenoso (monóxido de carbono), el gas se combina fácilmente con el hidrógeno para producir compuestos de hidrocarburos esenciales, como el metano y el etanol, que se utilizan a menudo en la industria, dijo el investigador del NIST, Renu Sharma.
Ella y sus colegas, incluidos científicos de la Universidad de Maryland en College Park y DENSsolutions, en Delft, Países Bajos, informaron sus hallazgos en Materiales de la naturaleza.
“Demostramos por primera vez que esta reacción de dióxido de carbono, que de otra manera solo ocurrirá a 700 grados C o más, puede desencadenarse usando LSP a temperatura ambiente”, dijo el investigador Canhui Wang del NIST y la Universidad de Maryland.
Los investigadores eligieron un haz de electrones para excitar los LSP porque el haz también se puede utilizar para obtener imágenes de estructuras en el sistema tan pequeñas como unas mil millonésimas de metro. Esto permitió al equipo estimar cuánto dióxido de carbono se había eliminado. Estudiaron el sistema utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM).
Debido a que tanto la concentración de dióxido de carbono como el volumen de reacción del experimento eran tan pequeños, el equipo tuvo que tomar medidas especiales para medir directamente la cantidad de monóxido de carbono generado. Lo hicieron acoplando un soporte de celda de gas especialmente modificado del TEM a un espectrómetro de masas de cromatógrafo de gases, lo que permitió al equipo medir concentraciones de dióxido de carbono en partes por millón.
Sharma y sus colegas también utilizaron las imágenes producidas por el haz de electrones para medir la cantidad de grafito que se eliminó durante el experimento, una aproximación de la cantidad de dióxido de carbono que se había eliminado. Descubrieron que la proporción de monóxido de carbono a dióxido de carbono medida en la salida del soporte de la celda de gas aumentaba linealmente con la cantidad de carbono eliminado por grabado.
La obtención de imágenes con el haz de electrones también confirmó que la mayor parte del grabado de carbono, un proxy de la reducción de dióxido de carbono, se produjo cerca de las nanopartículas de aluminio. Estudios adicionales revelaron que cuando las nanopartículas de aluminio estaban ausentes en el experimento, solo se grabó alrededor de una séptima parte de la cantidad de carbono.
Limitado por el tamaño del haz de electrones, el sistema experimental del equipo era pequeño, de solo 15 a 20 nanómetros de diámetro (el tamaño de un virus pequeño).
Para ampliar el sistema de modo que pueda eliminar el dióxido de carbono del escape de una planta de energía comercial, un haz de luz puede ser una mejor opción que un haz de electrones para excitar los LSP, dijo Wang. Sharma propone que se pueda colocar un recinto transparente que contenga nanopartículas de carbono y aluminio sueltas sobre la chimenea de una central eléctrica. Una serie de haces de luz que inciden en la red activaría los LSP. Cuando el escape pasa a través del dispositivo, los LSP activados por la luz en las nanopartículas proporcionarían la energía para eliminar el dióxido de carbono.
Las nanopartículas de aluminio, que están disponibles comercialmente, deben distribuirse uniformemente para maximizar el contacto con la fuente de carbono y el dióxido de carbono entrante, anotó el equipo.
El nuevo trabajo también sugiere que los LSP ofrecen una forma para una serie de otras reacciones químicas que ahora requieren una gran infusión de energía para proceder a temperaturas y presiones ordinarias utilizando nanopartículas plasmónicas.
“La reducción de dióxido de carbono es un gran problema, pero sería aún más importante, ahorrando enormes cantidades de energía, si podemos comenzar a hacer muchas reacciones químicas a temperatura ambiente que ahora requieren calentamiento”, dijo Sharma.
Referencia: “Reacción endotérmica a temperatura ambiente habilitada por plasmones ultravioleta profundos” por Canhui Wang, Wei-Chang D. Yang, David Raciti, Alina Bruma, Ronald Marx, Amit Agrawal y Renu Sharma, 2 de noviembre de 2020, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00851-x
