CO_2室温转化为CO：一种新的碳氢化合物合成方法

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和他们的同事展示了一种室温方法，该方法可以显著降低化石燃料发电厂废气中的二氧化碳水平，这是大气中碳排放的主要来源之一。尽管研究人员在一个只有纳米尺寸的小规模、高度受控的环境中展示了这种方法，但他们已经提出了扩大这种方法并使其在现实世界中应用的概念。

除了提供一种潜在的新方法来减轻气候变化的影响外，科学家们所采用的技术还可以降低生产液态碳氢化合物和其他工业用化学品的成本。这是因为该方法的副产品包括用于工业加工的合成甲烷、乙醇和其他基化合物的积木。

该研究小组从纳米世界开发了一种新的能源，以触发一种普通的化学反应，以消除二氧化碳。在这个反应中，固体碳附着在二氧化碳气体中的一个氧原子上，将其还原为一氧化碳。转换通常需要大量的高热形式的能量-至少700摄氏度的温度，足以在正常大气压下熔化铝。

研究小组依靠的不是热量，而是从行波电子中获得的能量，这种电子被称为局域表面等离子体(LSP)，它在单个铝上冲浪。研究小组通过用直径可调的电子束激发纳米粒子来触发LSP振荡。一束直径约一纳米的窄光束轰击单个铝纳米粒子，而一束宽约一千倍的光束在一大组纳米粒子中产生LSP。

在研究小组的实验中，铝纳米颗粒被沉积在一层石墨上，这是一种碳的形式。这使得纳米颗粒能够将LSP能量传递给石墨。在研究小组注入到系统中的石墨存在的情况下，石墨起到了从二氧化碳中提取单个氧原子，将其还原为一氧化碳的作用。纳米铝颗粒常温保存。通过这种方式，研究小组完成了一项重大壮举：在不需要高热源的情况下消除了二氧化碳。

以前去除二氧化碳的方法取得的成功有限，因为这些技术需要高温或高压，使用昂贵的贵金属，或者效率低下。相比之下，LSP方法不仅节省能源，而且使用了廉价而丰富的金属铝。

NIST研究员雷努·夏尔马(Renu Sharma)表示，尽管LSP反应会产生一种有毒气体-一氧化碳-但这种气体很容易与氢结合，产生工业上经常使用的必要碳氢化合物，如甲烷和乙醇。

她和她的同事，包括来自马里兰大学学院公园的科学家和荷兰代尔夫特的DENS解决方案公司的科学家，在“自然材料”上报道了他们的发现。

NIST和马里兰大学的研究员王灿辉说：我们首次证明，这种二氧化碳反应，否则只能在700摄氏度或更高的温度下发生，在室温下使用LSP就可以触发。

研究人员选择了电子束来激发LSP，因为电子束也可以用来成像系统中小到几十亿分之一米的结构。这使得研究小组能够估计有多少二氧化碳被清除。他们使用透射电子显微镜(TEM)研究了该系统。

由于实验的二氧化碳浓度和反应体积都很小，研究小组不得不采取特殊步骤直接测量一氧化碳的生成量。他们通过将TEM上的特殊改装的气池座与气相色谱仪质谱仪连接起来，使研究小组能够测量百万分之几的二氧化碳浓度，从而做到了这一点。

夏尔马和她的同事们还使用电子束产生的图像来测量实验过程中被蚀刻掉的石墨的量，这是二氧化碳被带走的代用品。他们发现，在气室固定器出口处测量到的一氧化碳与二氧化碳的比率随着蚀刻去除的碳量线性增加。

电子束成像也证实了大多数碳蚀刻蚀-二氧化碳减少的代表-发生在纳米铝颗粒附近。进一步的研究表明，当实验中没有纳米铝时，只有大约七分之一的碳被蚀刻。

受电子束大小的限制，研究小组的实验系统很小，直径只有15到20纳米(只有一种小病毒的大小)。

王说，为了扩大系统的规模，以便它可以从商业发电厂的排气中去除二氧化碳，光束可能是比激发LSP更好的选择。夏尔马建议，可以在发电厂的烟囱上方放置一个包含松散包装的碳和铝纳米颗粒的透明外壳。入射到栅格上的光束阵列将激活LSP。当废气通过该装置时，纳米颗粒中的光活化LSP将提供能量来去除二氧化碳。

研究小组指出，商业上可以买到的铝纳米颗粒应该均匀分布，以最大限度地与碳源和进入的碳源接触。

这项新的工作还表明，LSP为现在需要大量能量注入的许多其他利用等离子体纳米粒子在常温常压下进行的研究提供了一种方法。

夏尔马说，减少二氧化碳是一件大事，但如果我们能开始在室温下进行许多现在需要加热的化学反应，节省大量能源，这将是一件更大的事情。更多信息：由深紫外等离子体在室温下进行的吸热反应，自然材料，doi：10.1038/s41563-020-00851-x，www.nature.com/ws/s41563-020-00851-x