国家标准与技术研究所 通过将分子转化为一氧化碳(一氧化碳)来去除二氧化碳(CO2)的新型室温过程的图示
这种纳米尺度的方法不是使用热量，而是依靠表面等离子体(紫色)的能量，当一束电子束(垂直光束)撞击到石墨上的铝纳米粒子时，表面等离子体被激发，石墨是碳的一种晶体形式
在石墨的存在下，在等离子体激元能量的帮助下，二氧化碳分子(与两个红点结合的黑点)转化为一氧化碳(与一个红点结合的黑点
紫色球体下面的孔代表在化学反应CO2 + C = 2CO过程中被腐蚀掉的石墨
信用:NIST 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，这种方法可以显著降低化石燃料发电厂排放的二氧化碳水平，而二氧化碳是大气中碳排放的主要来源之一
尽管研究人员在一个小规模、高度受控的环境中演示了这种方法，环境的尺寸只有几纳米，但他们已经提出了扩大这种方法的概念，并使其在现实世界中的应用变得切实可行
除了提供一种潜在的新方法来减轻气候变化的影响，科学家们采用的化学工艺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和能源需求
这是因为该方法的副产品包括合成甲烷、乙醇和其他用于工业加工的碳基化合物的建筑材料
该团队从纳米世界中挖掘出一种新的能源，引发了一种消除二氧化碳的普通化学反应
在这个反应中，固体碳与二氧化碳气体中的一个氧原子结合，将其还原成一氧化碳
这种转化通常需要大量高热形式的能量——至少700摄氏度的温度，在正常大气压下足以熔化铝
该团队依靠的不是热量，而是从电子行波中获得的能量，这种电子被称为局域表面等离子体激元(LSPs)，它在单个铝纳米粒子上冲浪
该团队通过用直径可调的电子束激发纳米粒子来触发LSP振荡
一束直径约为1纳米的窄光束轰击单个铝纳米粒子，而一束宽约1000倍的光束则在一大群纳米粒子中产生最小二乘粒子
在研究小组的实验中，铝纳米粒子沉积在石墨层上，石墨是碳的一种形式
这使得纳米粒子能够将能量转移到石墨上
在团队注入系统的二氧化碳气体存在的情况下，石墨起到了从二氧化碳中提取单个氧原子的作用，将其还原为一氧化碳
铝纳米粒子保持在室温下
通过这种方式，该团队完成了一项重大壮举:在不需要高热源的情况下，去除二氧化碳
以前去除二氧化碳的方法成功有限，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
相比之下，LSP法不仅节约能源，而且使用铝，一种廉价而丰富的金属
NIST大学的研究人员雷努·夏尔马说，虽然液化石油气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气结合，生成甲烷和乙醇等工业上常用的碳氢化合物
她和她的同事，包括来自马里兰大学帕克分校和荷兰代尔夫特的DENSsolutions的科学家，在《自然材料》杂志上报道了他们的发现
NIST大学和马里兰大学的研究人员王灿辉说:“我们第一次表明，这种二氧化碳反应只有在700摄氏度或更高的温度下才会发生，它可以在室温下用LSPs触发。”
研究人员选择了一种电子束来激发LSPs，因为这种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
他们用透射电子显微镜研究了这个系统
因为二氧化碳的浓度和实验的反应体积都很小，研究小组不得不采取特殊的步骤来直接测量一氧化碳的生成量
他们这样做是通过将一个经过特殊改造的气体电池支架从瞬变电磁仪连接到一个气相色谱质谱仪上，使该小组能够测量百万分之几的二氧化碳浓度
夏尔马和她的同事们还利用电子束产生的图像来测量实验过程中被蚀刻掉的石墨量，这代表了被带走的二氧化碳量
他们发现，在气室支架的出口处测得的一氧化碳与二氧化碳的比率随着通过蚀刻去除的碳量而线性增加
用电子束成像也证实了大多数碳蚀刻——二氧化碳减少的一个代表——发生在铝纳米粒子附近
额外的研究显示，当实验中没有铝纳米粒子时，蚀刻的碳只有原来的七分之一
受电子束大小的限制，该团队的实验系统很小，只有大约15到20纳米(一种小型病毒的大小)
王说，为了扩大该系统的规模，使其能够去除商业发电厂废气中的二氧化碳，光束可能是比电子束更好的选择，以激发LSPs
夏尔马建议在发电厂的烟囱上放置一个透明的外壳，里面装有松散堆积的碳和铝纳米粒子
照射在网格上的一组光束会激活激光二极管
当废气通过该装置时，纳米颗粒中的光激活的发光二极管将提供去除二氧化碳的能量
该小组指出，市售的铝纳米粒子应该均匀分布，以最大限度地接触碳源和进入的二氧化碳
这项新的研究还表明，低温等离子体为一系列其他化学反应提供了一种方法，这些反应现在需要大量的能量注入，才能在不同的温度和压力下使用等离子体纳米粒子进行
夏尔马说:“减少二氧化碳是一件大事，但如果我们能在室温下开始进行许多现在需要加热的化学反应，这将是一件更大的事情，节省大量能源。”
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