美国科研团队将二氧化碳转化为纳米材料，价格煤炭的20000倍

Henrytvv19qznk 2020-01-12

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气候变化是当今时代最重要的环境问题之一。由于高水平的人为排放的CO2，大气中的CO2从1950年的315 ppm开始增加，首次超过415 ppm。大气中的CO2每年增加约2 ppm，等于净增加约156亿吨CO2。电力和运输中化石燃料的燃烧仍然是造成CO2积累的主要原因。

最重要的是，化石燃料在我们的现代工业中被广泛用于生产社会必需品。捕获和减少CO2要求开发有关以下方面的技术组合：（1）高效且长期收集可再生能源，即太阳能，不仅用于电力，而且还直接用作重要化学过程中的能源；（2）碳中和工艺取代目前排放大量CO2的工业工艺，例如铁和氨的生产；（3）捕集和转化CO2的新的低成本技术，尤其是在探索将CO2用作燃料或其他有价值的化学物质和材料的原料方面。

美国乔治华盛顿大学化学系Stuart Licht教授团队在二氧化碳的减排和资源化利用领域取得了一系列的进展：实现CO2转化为碳纳米片、碳纳米洋葱、石墨烯等碳素高值材料。碳纳米管的价格是煤炭的1000倍，碳纳米洋葱的价格是煤炭的20000倍。具体研究成果如下：

研究预览：采用太阳热电化学工艺（STEP），开展零CO2排放、大规模捕集CO2并使用电解熔融盐的方法生产高价值纳米碳素产品的可持续合成研究。在STEP中，紫外线可见光能集中在光伏装置上，该装置产生电能来驱动电解，同时太阳能热能集中在第二个系统上，为电解池产生热量。与其他太阳能转换过程相比，STEP中太阳光全光谱的利用产生了更高的太阳能效率。

已采用STEP进行（1）在熔融氢氧化物电解质中借助纳米Fe2O3从氮气和水中合成无CO2排放的氨；（2）在铁矿石的熔融碳酸盐电解质中电化学还原而无CO2排放的铁的生产；（3）CO2捕获并转化为纳米结构的碳产物以及熔融或混合熔融电解质中的燃料；（4）由苯有机电合成苯甲酸，而不会氧化为CO2。

研究预览：CO2在熔融碳酸盐电解质中的电化学分解可形成有价值的产品即碳纳米管，并且通过将CO 2从温室气体转化为有用的资源。该方法的研究亮点：（1）探讨碱金属阳离子对CO2转化为碳纳米管的作用；（2）CO2从空气、烟囱或者纯二氧化碳转化为CNT；（3）高温镍阳极对熔融碳酸盐的电解效果较好；（4）在电解过程中实现热平衡和次级产物O2。

研究预览：采用在熔融碳酸盐中电解二氧化碳的方法生产碳纳米洋葱（CNO），过程耗能低、产出率高。碳纳米洋葱近些年才被人们认识，关于其表面形貌的研究相对较少，是由嵌套同心碳球体组成的碳纳米材料。在此，通过从熔融碳酸盐生长介质中排除成核剂，从而生成大量、均匀的CNO，实现了由CO 2高效、低能的合成CNO。二氧化碳向有价值的材料（如CNOs、碳纳米管）的转化增加了CO2的价值。这一过程不仅降低了温室气体的排放，减缓温室效应，而且带来经济效益。

研究预览：石墨烯的高成本和高的碳足迹是阻碍其发展的重要因素，本文克服了这些障碍，引入了低碳足迹、减少CO2排放的石墨烯廉价合成方法。该方法的亮点有（1）CO2可直接从空气、烟囱或者纯CO2引入系统；（2）CO2通过两步过程转化为石墨烯，第一步转化为碳纳米片，第二步将碳纳米片电极用作产生石墨烯的剥离电极；（3）该过程，除石墨烯外，次级产物是O2。

如下图所示，石墨烯的电化学剥离是将石墨层之间的嵌入离子氧化，使层间键断裂并释放气体的过程。A：由CO2通过熔融碳酸盐电解电合成石墨烯，将空气或烟道气中的CO2电解分解为超薄石墨烯片状产品；B：将含有碳酸盐合成阴极的产物冷却并置于含有含水（NH4）2SO4的纤维素管中；C：将纤维素管置于带有反电极的（NH 4）2SO4浴中；施加直流电压会在石墨烯层之间产生气体爆裂，使薄片状薄片脱落，从而产生石墨烯。

CO2合成各种碳纳米材料，图片来源：美国化学学会（ACS）

乔治华盛顿大学化学教授斯图尔特·利希特（Stuart Licht）将这种方法称为“空中钻石”，指的是大气中的CO2是前体，碳是构成钻石的材料，也暗示了产品的高价值。更为重要的是C2CNT工艺通过在两个电极之间施加电（电解）将二氧化碳分解为碳素纳米材料和纯氧成分。二氧化碳像海绵一样被吸收在液态碱式碳酸盐电解质中，并通过鼓入烟气或空气而吸收（无需预先浓缩二氧化碳）。

Licht表示：“通过熔融碳酸盐电化学分解的方法将大气中的二氧化碳转化成有价值的产品如碳纳米管、碳纳米洋葱等是一种减少和捕获CO2的有效方法”。

Licht解释说：“二氧化碳电解的唯一产品很简单—高产量的碳素纳米材料和氧气。”“与传统的石墨反应物相比，碳纳米片提供了更薄的起点，从而促进了电化学剥离。”

Licht说：“这种CO2工艺的熔融电解是不寻常的，因为它不仅可以从工业烟气等浓烟中去除温室气体，而且还可以直接从空气中去除温室气体，而无需进行预浓缩或纯化。“此外，碳纳米材料的强石墨烯键可以永久地（即在地质时间框架内）存储去除的CO2，而燃料产品则在消耗燃料时会再次释放CO2。