Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont démontré une méthode à température ambiante qui pourrait réduire considérablement les niveaux de dioxyde de carbone dans les gaz d'échappement des centrales électriques à combustibles fossiles, l'une des principales sources d'émissions de carbone dans l'atmosphère.

Bien que les chercheurs aient démontré cette méthode à petite échelle, environnement hautement contrôlé avec des dimensions de quelques nanomètres, ils ont déjà proposé des concepts pour étendre la méthode et la rendre pratique pour des applications dans le monde réel.

En plus d'offrir une nouvelle façon potentielle d'atténuer les effets du changement climatique, le procédé chimique employé par les scientifiques pourrait également réduire les coûts et les besoins énergétiques pour la production d'hydrocarbures liquides et d'autres produits chimiques utilisés par l'industrie. C'est parce que les sous-produits de la méthode comprennent les éléments constitutifs de la synthèse du méthane, l'éthanol et d'autres composés à base de carbone utilisés dans le traitement industriel.

L'équipe a exploité une nouvelle source d'énergie du nanomonde pour déclencher une réaction chimique ordinaire qui élimine le dioxyde de carbone. Dans cette réaction, le carbone solide s'accroche à l'un des atomes d'oxygène dans le dioxyde de carbone gazeux, en le réduisant en monoxyde de carbone. La conversion nécessite normalement des quantités importantes d'énergie sous forme de chaleur élevée - une température d'au moins 700 degrés Celsius, assez chaud pour faire fondre l'aluminium à la pression atmosphérique normale.

Au lieu de la chaleur, l'équipe s'est appuyée sur l'énergie récoltée à partir d'ondes progressives d'électrons, connu sous le nom de plasmons de surface localisés (LSP), qui surfent sur des nanoparticules d'aluminium individuelles. L'équipe a déclenché les oscillations du LSP en excitant les nanoparticules avec un faisceau d'électrons de diamètre réglable. Un faisceau étroit, environ un nanomètre de diamètre, bombardaient des nanoparticules d'aluminium individuelles tandis qu'un faisceau environ mille fois plus large générait des LSP parmi un grand nombre de nanoparticules.

Dans l'expérience de l'équipe, les nanoparticules d'aluminium ont été déposées sur une couche de graphite, une forme de carbone. Cela a permis aux nanoparticules de transférer l'énergie LSP au graphite. En présence de gaz carbonique, que l'équipe a injecté dans le système, le graphite servait à extraire les atomes d'oxygène individuels du dioxyde de carbone, en le réduisant en monoxyde de carbone. Les nanoparticules d'aluminium ont été conservées à température ambiante. De cette façon, l'équipe a accompli un exploit majeur :se débarrasser du dioxyde de carbone sans avoir besoin d'une source de chaleur élevée.

Les méthodes précédentes d'élimination du dioxyde de carbone ont eu un succès limité car les techniques ont nécessité une température ou une pression élevée, employé des métaux précieux coûteux, ou avait une faible efficacité. En revanche, la méthode LSP non seulement économise de l'énergie mais utilise de l'aluminium, un métal bon marché et abondant.

Bien que la réaction LSP génère un gaz toxique, le monoxyde de carbone, le gaz se combine facilement avec l'hydrogène pour produire des composés d'hydrocarbures essentiels, comme le méthane et l'éthanol, qui sont souvent utilisés dans l'industrie, a déclaré Renu Sharma, chercheur au NIST.

Elle et ses collègues, y compris des scientifiques de l'Université du Maryland à College Park et DENSsolutions, à Delft, les Pays-Bas, ont fait part de leurs découvertes dans Matériaux naturels.

"Nous avons montré pour la première fois que cette réaction au dioxyde de carbone, qui autrement ne se produira qu'à 700 degrés C ou plus, peut être déclenché à l'aide de LSP à température ambiante, " a déclaré le chercheur Canhui Wang du NIST et de l'Université du Maryland.

Les chercheurs ont choisi un faisceau d'électrons pour exciter les LSP, car le faisceau peut également être utilisé pour imager des structures du système aussi petites que quelques milliardièmes de mètre. Cela a permis à l'équipe d'estimer la quantité de dioxyde de carbone éliminée. Ils ont étudié le système à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET).

Parce que la concentration de dioxyde de carbone et le volume de réaction de l'expérience étaient si petits, l'équipe a dû prendre des mesures spéciales pour mesurer directement la quantité de monoxyde de carbone générée. Ils l'ont fait en couplant un support de cellule à gaz spécialement modifié du TEM à un spectromètre de masse à chromatographe en phase gazeuse, permettant à l'équipe de mesurer les concentrations de dioxyde de carbone en parties par million.

Sharma et ses collègues ont également utilisé les images produites par le faisceau d'électrons pour mesurer la quantité de graphite qui a été gravée au cours de l'expérience, une approximation de la quantité de dioxyde de carbone qui a été emportée. Ils ont constaté que le rapport du monoxyde de carbone au dioxyde de carbone mesuré à la sortie du support de cellule à gaz augmentait linéairement avec la quantité de carbone éliminée par gravure.

L'imagerie avec le faisceau d'électrons a également confirmé que la majeure partie de la gravure du carbone - un indicateur de la réduction du dioxyde de carbone - s'est produite à proximité des nanoparticules d'aluminium. Des études supplémentaires ont révélé que lorsque les nanoparticules d'aluminium étaient absentes de l'expérience, seulement environ un septième autant de carbone a été gravé.

Limité par la taille du faisceau d'électrons, le système expérimental de l'équipe était petit, seulement environ 15 à 20 nanomètres de diamètre (la taille d'un petit virus).

Pour faire évoluer le système afin qu'il puisse éliminer le dioxyde de carbone des gaz d'échappement d'une centrale électrique commerciale, un faisceau lumineux peut être un meilleur choix qu'un faisceau d'électrons pour exciter les LSP, a dit Wang. Sharma propose qu'une enceinte transparente contenant des nanoparticules de carbone et d'aluminium en vrac pourrait être placée sur la cheminée d'une centrale électrique. Un réseau de faisceaux lumineux frappant la grille activerait les LSP. Lorsque l'échappement traverse l'appareil, les LSP activés par la lumière dans les nanoparticules fourniraient l'énergie nécessaire pour éliminer le dioxyde de carbone.

Les nanoparticules d'aluminium, qui sont disponibles dans le commerce, doit être réparti uniformément pour maximiser le contact avec la source de carbone et le dioxyde de carbone entrant, a noté l'équipe.

Les nouveaux travaux suggèrent également que les LSP offrent un moyen pour une multitude d'autres réactions chimiques qui nécessitent désormais une grande infusion d'énergie pour se dérouler à des températures et des pressions ordinaires en utilisant des nanoparticules plasmoniques.

"La réduction du dioxyde de carbone est un gros problème, mais ce serait une affaire encore plus importante, économiser d'énormes quantités d'énergie, si nous pouvons commencer à faire de nombreuses réactions chimiques à température ambiante qui nécessitent maintenant un chauffage, " dit Sharma.