روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط به کمک تبدیل واکنش CO۲ به CO در خروجی نیروگاه‌های سوخت فسیلی و توسط محققان موسسه ملی فناوری و استاندارد توسعه یافت .
این روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط می‌تواند بطور بالقوه انتشار دی اکسید کربن را در جو کاهش دهد . همچنین منجر به کاهش هزینه‌های تولید مواد شیمیایی می‌شود .
محققان در موسسه ملی فناوری و استاندارد ( National Institute of Standards and Technology ( NIST ) ) و همکارانشان روشی را در دمای اتاق توسعه داده‌اند ( روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط ) که می‌تواند سطح دی اکسید کربن موجود در خروجی نیروگاه‌های سوخت فسیلی را که یکی از منابع اصلی انتشار کربن در جو است را به میزان قابل توجهی کاهش دهد .
اگرچه محققان این روش را در یک مقیاس کوچک و محیطی بسیار کنترل شده با ابعاد نانومتری ارائه کردند ، اما آن‌ها ( محققان توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط ) پیش از این مفاهیمی را برای مقیاس بندی روش و عملی ساختن آن برای کاربردهای واقعی نیز ارائه کرده بودند . علاوه بر ارائه روش جدید برای کاهش اثرات تغییرات آب و هوایی ، فرآیند شیمیایی استفاده شده توسط دانشمندان می‌تواند هزینه‌ها و انرژی مورد نیاز برای تولید هیدروکربن‌های مایع و سایر مواد شیمیایی مورد استفاده در صنعت را کاهش دهد . دلیل این امر این است که محصولات تولید شده در این فرآیند شامل اجزای سازنده متان ، اتانول و سایر ترکیبات پایه کربن هستند که در فرآوری‌های صنعتی استفاده می‌شوند .
مکانیزم تبدیل CO۲ به CO در روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
این تیم از یک منبع انرژی جدید در دنیای نانو استفاده کردند تا یک واکنش شیمیایی ایجاد کنند که دی اکسید کربن را از بین ببرد . در این واکنش ، کربن جامد روی یکی از اتم‌های اکسیژن موجود در گاز دی اکسید کربن جفت می‌شود و آن را به مونوکسید کربن کاهش می‌دهد . این تبدیل معمولا به مقدار قابل توجهی انرژی ( که به شکل گرمای زیاد است ) نیاز دارد . دمای لازم برای انجام این واکنش حداقل ۷۰۰ درجه سانتی گراد است ؛ این گرما معادل گرمای لازم برای ذوب آلومینیوم در فشار جو معمولی است .
نیروی محرکه مورد نیاز جهت توسعه روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
این تیم به جای گرما ، به انرژی تولید شده از امواج الکترونیکی در حال حرکت ، معروف به پلاسمون‌های سطح موضعی ( Localized surface plasmons ( LSPs ) ) ، که بر روی نانو ذرات آلومینیوم منفرد سوار می‌شوند ، اعتماد کرد .
تیم توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط با تحریک نانو ذرات با پرتوی الکترونی که دارای قطر قابل تنظیم است ، نوسانات LSP را ایجاد می‌کند . یک پرتوی باریک با قطر حدود یک نانومتر ، نانو ذرات آلومینیوم را بمباران می‌کند ؛ در حالی که یک پرتو حدود هزار برابر عریض‌تر ، LSP را در میان مجموعه بزرگی از نانو ذرات تولید می‌کند .
مکانیزم روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
در آزمایش این تیم ، نانو ذرات آلومینیوم روی لایه‌ای از گرافیت رسوب کردند . این امر اجازه می‌دهد تا نانو ذرات آلومینیوم انرژی LSP را به گرافیت منتقل کنند . در حضور گاز دی اکسید کربن ، که توسط تیم به سیستم تزریق شد ، گرافیت با اتم‌های اکسیژن منفرد در دی اکسید کربن جفت شده و آن را به مونوکسید کربن کاهش می‌دهد . لازم به ذکر است که نانو ذرات آلومینیوم در طی این واکنش در دمای محیط نگهداری شدند . به این ترتیب ، تیم توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط یک موفقیت بسیار مهم را بدست آورد : خلاص شدن از شر دی اکسید کربن بدون نیاز به منبع گرمای زیاد .
روش‌های قبلی حذف دی اکسید کربن موفقیت محدودی داشته‌اند ؛ چرا که این روش‌ها به دما یا فشار بالا نیاز داشتند ، فلزات گرانبهای گران قیمتی را بکار می‌گرفتند و یا بازده اندکی داشتند . در مقابل ، روش LSP نه تنها در مصرف انرژی صرفه جویی می‌کند بلکه از آلومینیوم ، که فلزی ارزان و فراوان است ، استفاده می‌کند .
Renu Sharma ، محقق NIST و عضو تیم توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط بیان کرد : ” اگرچه واکنش LSP یک گاز سمی ( مونوکسید کربن ) تولید می‌کند ؛ اما این گاز به راحتی با هیدروژن ترکیب می‌شود و ترکیبات ضروری هیدروکربن‌ها مانند متان و اتانول ، که اغلب در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند ، را تولید می‌کند ” .
Canhui Wang از NIST و دانشگاه مریلند بیان کرد : ” ما برای اولین بار نشان دادیم که این واکنش دی اکسید کربن که فقط در ۷۰۰ درجه سانتی گراد یا بالاتر اتفاق می‌افتاد ، می‌تواند با استفاده از LSP در دمای اتاق تحریک شود ” .
روش تعیین غلظت دی اکسید کربن در روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
محققان برای تحریک LSP ها پرتوی الکترونی را انتخاب کردند ؛ زیرا از این پرتو می‌توان برای تصویر سازی در سیستم به اندازه چند میلیاردیمم متر ( Billionths of a meter ) استفاده کرد . این امر تیم را قادر ساخت تا میزان دی اکسید کربن حذف شده را تخمین بزند . آن‌ها این سیستم را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری ( TEM ) مورد مطالعه و بررسی قرار دادند .
از آنجا که هم غلظت دی اکسید کربن و هم حجم واکنش آزمایش بسیار کم بود ، تیم توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط مجبور شد اقدامات ویژه‌ای را برای اندازه گیری مستقیم میزان مونوکسید کربن تولید شده انجام دهد . آن‌ها این کار را با اتصال یک نگهدارنده سلول گاز ویژه اصلاح شده از TEM به یک طیف سنج جرمی کروماتوگراف گازی انجام دادند . این کار به تیم اجازه داد تا غلظت‌های دی اکسید کربن را در هر ppm اندازه گیری کند .
Sharma و همکارانش همچنین از تصاویر تولید شده توسط پرتوی الکترون برای اندازه گیری میزان گرافیت خارج شده در طول آزمایش ، بعنوان نماینده‌ای برای میزان دی اکسید کربن ، استفاده کردند . آن‌ها ( محققان توسعه دهنده روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط )دریافتند که نسبت مونوکسید کربن به دی اکسید کربن که در محل خروجی نگهدارنده سلول گاز اندازه گیری می‌شود ، با مقدار کربن خارج شده توسط فرآیند اچ بصورت خطی افزایش می‌یابد .
تصویر برداری با پرتوی الکترونی همچنین تایید کرد که بیشترین اچ کربن در نزدیکی نانو ذرات آلومینیوم ( که گروهی از فلزات و آلیاژهای غیر آهنی است ) رخ داده است . مطالعات اضافی نشان داد که وقتی نانو ذرات آلومینیوم در این آزمایش وجود نداشت ، فقط حدود یک هفتم کربن اچ شده بود .
استفاده از روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط در نیروگاه‌ها
محدوده اندازه پرتوی الکترون سیستم آزمایشی این تیم کوچک بود و فقط حدود ۱۵ تا ۲۰ نانومتر عرض داشت ( اندازه یک ویروس کوچک ) .
Wang بیان کرد : ” برای مقیاس بندی سیستم به گونه‌ای که بتواند دی اکسید کربن را از خروجی نیروگاه تجاری خارج کند ، یک پرتوی نور می‌تواند انتخاب بهتری نسبت به پرتوی الکترون برای برانگیخته کردن LSPها باشد ” . Sharma ( محقق تیم توسعه روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط )پیشنهاد می‌کند که یک محفظه شفاف حاوی نانو ذرات کربن و آلومینیوم بر روی دودکش یک نیروگاه قرار گیرد . مجموعه‌ای از پرتوهای نوری به شبکه نفوذ می‌کنند و LSP ها را فعال می‌کنند . وقتی گاز خروجی از این شبکه عبور کند ، LSP های فعال شده توسط نور در نانو ذرات ، انرژی لازم برای حذف دی اکسید کربن را فراهم می‌کنند .
این تیم خاطرنشان کرد ، نانو ذرات آلومینیوم که از نظر تجاری در دسترس هستند ، باید بطور یکنواخت در شبکه توزیع شوند تا تماس با منبع کربن و دی اکسید کربن ورودی به حداکثر برسد .
مزایای روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
این پژوهش جدید همچنین نشان می‌دهد کهLSP ها می‌توانند با استفاده از نانو ذرات پلاسمونیک راهی برای انجام انبوهی از واکنش‌های شیمیایی که نیاز به انرژی و دما و فشار بالا دارند ، ارائه دهند . Sharma بیان کرد : ” کاهش دی اکسید کربن یک مزیت بزرگ است ، اما اگر بتوانیم بسیاری از واکنش‌های شیمیایی ( که اکنون به گرم شدن نیاز دارند ) را در دمای اتاق انجام دهیم ، صرفه جویی در مقادیر بالای انرژی نیز یک مزیت بزرگ‌تر خواهد بود ” .
خلاصه خبر توسعه روش جدید سنتز هیدروکربن‌ها در دمای محیط
محققان NIST یک روش را در دمای محیط توسعه داده‌اند که می‌تواند سطح دی اکسید کربن را در خروجی نیروگاه‌های سوخت فسیلی ، که یکی از اصلی‌ترین منابع انتشار کربن در جو هستند ، کاهش دهد . جزئیات این پژوهش در Nature Materials منتشر شد و اطلاعات کلی مقاله در شکل فوق ارائه شده است .
منبع خبر : سایت www.sciencedaily.com
تاریخ انتشار خبر : ۱۷ آبان ماه ۱۳۹۹
کد خبر : ۱۸۴۵
