Vi møter karbonpartikler på en rekke områder i livene våre. Sot, ørsmå karbonpartikler, dannes når energikilder som olje eller tre ikke brennes fullstendig. Sotpartikkelfiltre fjerner igjen nanometer- til mikrometerstore partikler fra bileksos ved hjelp av kjemiske overflatereaksjoner. Karbonpartikler kan også brukes industrielt, fordi karbon ved temperaturer over 1000 grader Celsius kan omdannes med karbondioksid (CO2) og vann for å danne forløpere for syntetiske drivstoffer. I begge bruksområdene spiller kjemiske reaksjoner på karbonoverflaten en avgjørende rolle, men forholdene som visse reaksjonsveier dominerer under er ikke fullt ut forstått.
Forskere ved Max Planck-instituttet for kjemi kan nå bedre forklare hva som skjer under oksidasjonen av karbonnanopartikler i sotfiltre. De undersøkte hva som skjer med de ørsmå sotpartiklene under forhold som er typiske for bileksos fra dieselmotorer. Ved temperaturer på omtrent 270–450 °C møter karbonet de reaktive gassene nitrogendioksid (NO2) og oksygen (O2). Gassene oksiderer karbonet og bryter det dermed ned. Resultatet: Jo høyere temperatur, desto raskere forsvinner karbonmassen. Deretter la de eksperimentelle dataene inn i en såkalt kinetisk flerlagsmodell (KM-GAP-CARBON).
Modelleringen viser hva som skjer kjemisk: Ved lavere temperaturer bestemmes karbonnedbrytningen av nitrogendioksid, mens den ved høyere temperaturer bestemmes av oksygen. Samtidig med endringen i den dominerende reaksjonsveien, endres også aktiveringsenergien som kreves for at en kjemisk reaksjon skal skje.
«Modellen vår ble opprinnelig utviklet for å beskrive kjemien til aerosoler og partikler i atmosfæren. Den fungerer imidlertid også veldig bra for tekniske høytemperaturapplikasjoner», sier Thomas Berkemeier, hovedforfatter av studien og leder for forskningsgruppen ved Max Planck-instituttet i Mainz. «Modellen vår hjelper oss å forstå hvorfor den kjemiske reaksjonsveien påvirkes av temperatur. Den forklarer også en annen særegenhet: I målingene våre observerer vi at reaksjonshastigheten er høyest i begynnelsen og på slutten av reaksjonen.»
Ifølge studien som nylig ble publisert i tidsskriftet Angewandte Chemie, oksideres og fordampes først mer reaktive karbonatomer på overflaten av karbonpartiklene, noe som fører til akkumulering av mindre reaktive atomer på overflaten. Dette fører i utgangspunktet til en type passivering av partiklene, og oksidasjonen avtar. «Mot slutten av reaksjonen er forholdet mellom partiklenes overflateareal og volumet deres spesielt stort, og det er derfor den volumnormaliserte reaksjonshastigheten øker kraftig igjen», forklarer Berkemeier, som planlegger å analysere den nøyaktige strukturen til partiklene ved hjelp av mikroskopiske og spektroskopiske metoder i fremtiden. Kjemikeren og teamet hans planlegger også å gjennomføre ytterligere reaksjonskinetiske studier for å utforske effektene av andre oksidasjonsmidler og -betingelser.
«Forskningen vår forbedrer ikke bare vår forståelse av grunnleggende prosesser på karbonoverflater. Vi støtter også utviklingen av innovative prosesser innen miljø- og energiapplikasjoner, for eksempel innen karbonfangst for å redusere CO2-utslipp og optimalisere produksjonsforholdene ved produksjon av syntetisk drivstoff», legger Ulrich Pöschl, medforfatter og direktør ved Max Planck-instituttet for kjemi, til. «Resultatene av mange års grunnleggende vitenskapelig forskning bidrar dermed også til bærekraftig utvikling av teknologi og samfunn i antropocen.»
Begrepet antropocen refererer til den nåværende geologiske æraen, som er preget av den raskt økende og globalt gjennomtrengende innflytelsen fra mennesker på planeten, og har vært en del av det vitenskapelige arbeidet og forskningen ved Max Planck-instituttet for kjemi siden den ble oppdaget av nobelprisvinneren Paul Crutzen.
Les også
Intet vendepunkt for fossile CO2-utslipp | Pugnalom
En liten reduksjon i storfekjøttproduksjon reduserer CO2-utslippene kraftig | Pugnalom
