Почему окисление углеродных наночастиц – ключ к будущему чистой энергии и окружающей среды?

Углеродные наночастицы, такие как сажа, представляют собой парадокс: с одной стороны, они являются серьезными загрязнителями, требующими фильтрации, с другой – потенциальным сырьем для производства синтетического топлива. Реакции, происходящие на поверхности этих частиц, играют ключевую роль в обоих процессах. Исследование, проведенное в Институте химии Макса Планка (MPIC) под руководством Томаса Беркемейера и Ульриха Пёшля, проливает свет на механизмы окисления углеродных частиц и их зависимость от температуры.
Почему окисление углеродных наночастиц – ключ к будущему чистой энергии и окружающей среды?
Изображение носит иллюстративный характер

Согласно результатам исследования, опубликованного в 2024 году в журнале "Angewandte Chemie International Edition" (DOI: 10.1002/anie.2024), доминирующий окислитель углерода изменяется в зависимости от температуры. При более низких температурах, в диапазоне от 270°C до 450°C, основным агентом, разрушающим углерод, является диоксид азота (NO2). Однако по мере повышения температуры доминирующую роль перенимает кислород (O2). Этот переход сопровождается изменением энергии активации химической реакции.

Исследование также выявило, что скорость окисления углерода не является постоянной. Она достигает максимума в начале и в конце реакции, замедляясь в середине. Это связано с процессом пассивации, когда на поверхности частицы накапливаются менее реакционноспособные атомы углерода, что затрудняет дальнейшее окисление. Однако в конце реакции увеличение площади поверхности частицы за счет ее разрушения вновь приводит к ускорению процесса.

Для понимания механизмов окисления был применен кинетический многослойный модель (KM-GAP-CARBON), изначально разработанная для изучения атмосферных аэрозолей. Модель позволила понять, почему именно температура влияет на выбор доминирующего окислителя, и объяснить наблюдаемое изменение скорости реакции. KM-GAP-CARBON объясняет, почему скорость окисления наиболее высока вначале и в конце реакции.

Сотрудники института под руководством Томаса Беркемейера, признают, что сажа образуется при неполном сгорании таких видов топлива, как нефть и древесина. Исследование также показывает, что при температурах выше 1000 °C углерод можно преобразовать в прекурсоры синтетического топлива, используя CO2 и H2O.

Практическое значение этого исследования трудно переоценить. Разработка эффективных сажевых фильтров для автомобилей и оптимизация процессов производства синтетического топлива – важные шаги на пути к более чистой и устойчивой энергетике. Детальное понимание механизмов окисления углеродных частиц, которые обеспечивают исследования, может способствовать созданию более эффективных технологий улавливания углерода и производства синтетического топлива.

В контексте антропоцена, эпохи, характеризующейся значительным влиянием человеческой деятельности на планету, особенно важным становится использование научных знаний для решения экологических проблем. Исследование, проведенное в MPIC, не только способствует улучшению технологий фильтрации сажи, но и открывает перспективы для превращения углеродных отходов в ценные ресурсы. Этот подход соответствует идеям Пола Крутцена, лауреата Нобелевской премии, который ввел термин «антропоцен», подчеркивая необходимость устойчивого развития.

Будущие исследования будут сосредоточены на детальном анализе структуры частиц и изучении различных окислителей и условий. Планируется использование микроскопических и спектроскопических методов для изучения структуры частиц. Углубленное понимание структуры частиц и химических реакций, происходящих на их поверхности, поможет нам более эффективно использовать углеродные ресурсы и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.


Новое на сайте

19203Невидимая угроза в оперативной памяти: масштабная атака северокорейских хакеров на... 19202Как уязвимость нулевого дня в Cisco SD-WAN позволяет хакерам незаметно захватывать... 19201Как Google разрушил глобальную шпионскую сеть UNC2814, охватившую правительства 70 стран... 19200Как простое открытие репозитория в Claude Code позволяет хакерам получить полный контроль... 19199Зачем киберсиндикат SLH платит женщинам до 1000 долларов за один телефонный звонок в... 19198Устранение слепых зон SOC: переход к доказательной сортировке угроз для защиты бизнеса 19197Скрытые бэкдоры в цепочках поставок по: атаки через вредоносные пакеты NuGet и npm 19196Как абсолютная самоотдача, отказ от эго и физиологическое переосмысление тревоги помогают... 19195Отказ от стратегии гладиаторов как главный драйвер экспоненциального роста корпораций 19194Цена ручного управления: почему отказ от автоматизации данных разрушает национальную... 19193Критическая угроза полного контроля: SolarWinds экстренно закрыла четыре уязвимости в... 19192Почему внедрение команд операционной системы в FileZen заставило CISA требовать... 19191Могут ли безобидные текстовые промпты для нейросетей стать самым разрушительным... 19190Как 9 древних правил Конфуция помогают обрести эмоциональный интеллект и победить стресс... 19189Почему экономика, а не высокие идеалы, стала истинным двигателем сопротивления в...
Ссылка