p Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas demonstraram um método à temperatura ambiente que pode reduzir significativamente os níveis de dióxido de carbono na exaustão de usinas de combustível fóssil, uma das principais fontes de emissão de carbono na atmosfera. p Embora os pesquisadores tenham demonstrado esse método em pequena escala, ambiente altamente controlado com dimensões de apenas nanômetros, eles já criaram conceitos para expandir o método e torná-lo prático para aplicações do mundo real.

p Além de oferecer uma nova forma potencial de mitigar os efeitos das mudanças climáticas, o processo químico empregado pelos cientistas também poderia reduzir os custos e as necessidades de energia para a produção de hidrocarbonetos líquidos e outros produtos químicos usados ​​pela indústria. Isso porque os subprodutos do método incluem os blocos de construção para sintetizar metano, etanol e outros compostos à base de carbono usados ​​no processamento industrial.

p A equipe aproveitou uma nova fonte de energia do nanomundo para desencadear uma reação química comum que elimina o dióxido de carbono. Nesta reação, carbono sólido trava em um dos átomos de oxigênio no gás dióxido de carbono, reduzindo-o a monóxido de carbono. A conversão normalmente requer quantidades significativas de energia na forma de alto calor - uma temperatura de pelo menos 700 graus Celsius, quente o suficiente para derreter o alumínio à pressão atmosférica normal.

p Em vez de calor, a equipe contou com a energia coletada de ondas viajantes de elétrons, conhecido como plasmons de superfície localizados (LSPs), que surfam em nanopartículas de alumínio individuais. A equipe desencadeou as oscilações do LSP ao excitar as nanopartículas com um feixe de elétrons de diâmetro ajustável. Um feixe estreito, cerca de um nanômetro de diâmetro, bombardeou nanopartículas de alumínio individuais, enquanto um feixe cerca de mil vezes mais amplo gerou LSPs entre um grande conjunto de nanopartículas.

p No experimento da equipe, as nanopartículas de alumínio foram depositadas em uma camada de grafite, uma forma de carbono. Isso permitiu que as nanopartículas transferissem a energia do LSP para o grafite. Na presença de gás dióxido de carbono, que a equipe injetou no sistema, o grafite desempenhava o papel de extrair átomos de oxigênio individuais do dióxido de carbono, reduzindo-o a monóxido de carbono. As nanopartículas de alumínio foram mantidas em temperatura ambiente. Desta maneira, a equipe realizou uma grande façanha:livrar-se do dióxido de carbono sem a necessidade de uma fonte de alta temperatura.

p Métodos anteriores de remoção de dióxido de carbono tiveram sucesso limitado porque as técnicas exigiam alta temperatura ou pressão, empregou metais preciosos caros, ou teve baixa eficiência. Em contraste, o método LSP não só economiza energia, mas usa alumínio, um metal barato e abundante.

p Embora a reação LSP gere um gás venenoso - monóxido de carbono - o gás prontamente se combina com o hidrogênio para produzir compostos de hidrocarbonetos essenciais, como metano e etanol, que são frequentemente usados ​​na indústria, disse o pesquisador do NIST Renu Sharma.

p Ela e seus colegas, incluindo cientistas da Universidade de Maryland em College Park e DENSsolutions, em Delft, Os Países Baixos, relataram suas descobertas em Materiais da natureza.

p “Mostramos pela primeira vez que essa reação de dióxido de carbono, que de outra forma só acontecerá a 700 graus C ou mais, pode ser acionado usando LSPs em temperatura ambiente, "disse o pesquisador Canhui Wang do NIST e da Universidade de Maryland.

p Os pesquisadores escolheram um feixe de elétrons para excitar os LSPs porque o feixe também pode ser usado para criar imagens de estruturas no sistema tão pequenas quanto alguns bilionésimos de metro. Isso permitiu à equipe estimar quanto dióxido de carbono foi removido. Eles estudaram o sistema usando um microscópio eletrônico de transmissão (TEM).

p Como a concentração de dióxido de carbono e o volume da reação do experimento foram tão pequenos, a equipe teve que tomar medidas especiais para medir diretamente a quantidade de monóxido de carbono gerada. Eles fizeram isso acoplando um suporte de célula de gás especialmente modificado do TEM a um espectrômetro de massa de cromatógrafo de gás, permitindo que a equipe meça as concentrações de partes por milhão de dióxido de carbono.

p Sharma e seus colegas também usaram as imagens produzidas pelo feixe de elétrons para medir a quantidade de grafite que foi gravada durante o experimento, um indicador de quanto dióxido de carbono foi retirado. Eles descobriram que a proporção de monóxido de carbono para dióxido de carbono medida na saída do suporte da célula de gás aumentou linearmente com a quantidade de carbono removido por ataque químico.

p As imagens com o feixe de elétrons também confirmaram que a maior parte da corrosão do carbono - um substituto para a redução do dióxido de carbono - ocorreu perto das nanopartículas de alumínio. Estudos adicionais revelaram que quando as nanopartículas de alumínio estavam ausentes do experimento, apenas cerca de um sétimo da quantidade de carbono foi gravada.

p Limitada pelo tamanho do feixe de elétrons, o sistema experimental da equipe era pequeno, apenas cerca de 15 a 20 nanômetros de diâmetro (o tamanho de um pequeno vírus).

p Para expandir o sistema para que ele possa remover o dióxido de carbono do escapamento de uma usina comercial, um feixe de luz pode ser uma escolha melhor do que um feixe de elétrons para excitar os LSPs, Disse Wang. Sharma propõe que um invólucro transparente contendo nanopartículas de carbono e alumínio fracamente embaladas possa ser colocado sobre a chaminé de uma usina de energia. Uma série de feixes de luz incidindo sobre a grade ativaria os LSPs. Quando o escapamento passa pelo dispositivo, os LSPs ativados por luz nas nanopartículas forneceriam a energia para remover o dióxido de carbono.

p As nanopartículas de alumínio, que estão disponíveis comercialmente, deve ser distribuído uniformemente para maximizar o contato com a fonte de carbono e o dióxido de carbono de entrada, a equipe observou.

p O novo trabalho também sugere que os LSPs oferecem uma maneira de uma série de outras reações químicas que agora requerem uma grande infusão de energia para prosseguir em temperaturas e pressões normais usando nanopartículas plasmônicas.

p “A redução do dióxido de carbono é um grande negócio, mas seria um negócio ainda maior, economizando enormes quantidades de energia, se pudermos começar a fazer muitas reações químicas em temperatura ambiente que agora requerem aquecimento, "Disse Sharma.