水热法还原氧化石墨烯的制备方法（用二氧化碳制备石墨烯）

​导读

据德国卡尔斯鲁厄理工学院官网近日报道，该校研究人员将二氧化碳当作一种原材料来制备石墨烯。

背景

化石燃料（例如煤或石油）的燃烧会释放出大量能量，这些能量可转化为电能、热能和动能。但是，这样也引起了大气中二氧化碳含量的增长，从而导致全球变暖。

（图片来源：维基百科）

切断这条因果链的想法，激励着科学家们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，将它反馈到可重用循环中，甚至可能是以一种有利可图的方式。

案例一：用光活性催化剂将二氧化碳变为燃料。

（图片来源：Kaiyang Niu 和 Haimei Zheng/Berkeley Lab）

案例二：捕获温室气体，然后将它转化为有价值的产品，同时产生电能。

（图片来源：康乃尔大学）

创新

今天，笔者要为大家介绍德国科学家们是如何将二氧化碳作为一种有价值的原材料用于化学反应的。

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）在《ChemSusChem》期刊上报告了这个不寻常的的应用。他们将二氧化碳当作一种原材料来制备石墨烯，而石墨烯这种技术材料是一项目前被深入研究的课题。

技术

大自然中就有一个很好的例子。在植物叶子中的光合作用期间，光、水和二氧化碳的组合起来创造出生物质。

（图片来源：维基百科）

在这个过程中，基于金属的核酮糖二磷酸缩化酶（RuBisCo）的任务就是，从空气中吸收二氧化碳，使之可用于植物中进一步的化学反应。

受到这种基于金属酶的自然转化的启发，卡尔斯鲁厄理工学院研究人员演示了一种新工艺。通过这种工艺，在高达1000摄氏度的温度以及特别准备的催化活性金属表面的帮助下，温室气体二氧化碳与氢气一起被直接转化为石墨烯。

下图所示：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）

2004年，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将石墨片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。通过这样不断的操作，薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子组成蜂窝状结构的薄片，这就是石墨烯。他们两人也因此于2010年获得了诺贝尔奖。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

这种独特的结构赋予了石墨烯卓越的性能，使之享有“新材料之王”的美誉。石墨烯的厚度仅为人类发丝直径的百万分之一，而强度却胜过钢铁百倍，导电性能优于铜，这些特性都非常适合电子器件。此外，石墨烯还具备良好的柔性，因此也很有希望应用于未来的柔性电子器件。

（图片来源：Graphene Flagship）

如今，石墨烯已经应用于许多领域，例如柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗、航天能源技术、分子电子等。

石墨烯柔性NFC天线（图片来源: Graphene Flagship）

卡尔斯鲁厄理工学院的几个课题组合作在《ChemSusChem》期刊上展示了一种方法，通过金属催化剂从二氧化碳和氢气中分离石墨烯。

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。”

价值

在后续的实验中，研究人员甚至能够制造出几层厚的石墨烯，这种石墨烯将有望应用于电池、电子元器件或者过滤材料。

工作小组的下一个研究目标就是，通过这样获取的石墨烯制作功能性的电子元器件。碳材料例如石墨烯和磁性分子将成为未来量子计算机的基础，量子计算机将带来超高速且节能的计算，而且不是基于当今计算机的二进制逻辑器件。

关键字

二氧化碳、石墨烯、量子计算机

参考资料

【1】Concepción Molina‐Jirón, Mohammed Reda Chellali, C. N. Shyam Kumar, Christian Kübel, Leonardo Velasco, Horst Hahn, Eufemio Moreno‐Pineda, Mario Ruben. Direct Conversion of CO2 to Multi‐Layer Graphene using Cu–Pd Alloys. ChemSusChem, 2019; DOI: 10.1002/cssc.201901404

【2】https://www.kit.edu/kit/english/pi_2019_090_producing-graphene-from-carbon-dioxide.php

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