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自工业革命以来，由于煤和石油等化石燃料的燃烧，人类排放了大量的二氧化碳等温室气体，使得大气中温室气体的浓度急剧升高，结果造成温室效应日益增强。大气温室效应的不断加剧导致全球气候变暖，产生一系列当今科学不可预测的全球性气候问题。因此，全球各国都在减低二氧化碳排放量，减少对大气的污染，减缓生态恶化。 目前，全球的科学家都在致力于寻找可替代化石燃料的能源以及二氧化碳的其他用途。其中一种可能性，就是将二氧化碳作为一种廉价的原材料，用于合成有价值的材料，据德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）官网近日报道，该校研究人员发明了一种新技术，可以将二氧化碳当作一种原材料来制备石墨烯。 其实，在大自然中就有非常好的例子。绿色植物（包括藻类）通过光合作用，吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放出氧气。在这个过程中，有一种非常重要的酶Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶），它将大气中游离的二氧化碳转化为生物体内储能分子，比如蔗糖分子。 二氧化碳（红-黑）和氢气（灰）在铜-钯表面上经过催化反应转变成石墨烯（黑）。（图片来源：E. Moreno-Pineda, KIT） 受到这种酶的启发，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员研究出一种新的技术，在1000℃条件下，在具有特殊催化活性的金属表面，CO2和H2可以转化为石墨烯。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。 德国卡尔斯鲁厄理工学院的几个课题组合作在《ChemSusChem》期刊上展示这项技术，通过金属催化剂利用二氧化碳和氢气制备石墨烯。 这项研究的领头人、来自卡尔斯鲁厄理工学院纳米技术研究所（INT）和无机化学研究所（AOC） Molekulare Materialien 课题组的 Mario Ruben 教授解释道：“如果金属表面的铜和钯的比例正确，二氧化碳到石墨烯的转变，将直接在简单的一步过程中产生。” 进一步的实验中，研究人员甚至能够生产几层厚的石墨烯，这对于电池、电子元件或过滤材料的可能应用非常有用。该工作组的下一个研究目标是利用制备出的石墨烯形成功能性电子元件。碳材料如石墨烯和磁性分子可能成为未来量子计算机的构建模块，它可实现超快速和高能效的计算，并且不是基于当今计算机的二进制逻辑。 论文信息： Concepción Molina‐Jirón et al. Direct Conversion of CO2 to Multi‐Layer Graphene using Cu–Pd Alloys, ChemSusChem (2019). DOI: 10.1002/cssc.201901404 |
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