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自工業革命以來，由于煤和石油等化石燃料的燃燒，人類排放了大量的二氧化碳等溫室氣體，使得大氣中溫室氣體的濃度急劇升高，結果造成溫室效應日益增強。大氣溫室效應的不斷加劇導致全球氣候變暖，產生一系列當今科學不可預測的全球性氣候問題。因此，全球各國都在減低二氧化碳排放量，減少對大氣的污染，減緩生態惡化。 目前，全球的科學家都在致力于尋找可替代化石燃料的能源以及二氧化碳的其他用途。其中一種可能性，就是將二氧化碳作為一種廉價的原材料，用于合成有價值的材料，據德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）官網近日報道，該校研究人員發明了一種新技術，可以將二氧化碳當作一種原材料來制備石墨烯。 其實，在大自然中就有非常好的例子。綠色植物（包括藻類）通過光合作用，吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物，同時釋放出氧氣。在這個過程中，有一種非常重要的酶Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶），它將大氣中游離的二氧化碳轉化為生物體內儲能分子，比如蔗糖分子。 二氧化碳（紅-黑）和氫氣（灰）在銅-鈀表面上經過催化反應轉變成石墨烯（黑）。（圖片來源：E. Moreno-Pineda, KIT） 受到這種酶的啟發，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員研究出一種新的技術，在1000℃條件下，在具有特殊催化活性的金屬表面，CO2和H2可以轉化為石墨烯。 石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。 德國卡爾斯魯厄理工學院的幾個課題組合作在《ChemSusChem》期刊上展示這項技術，通過金屬催化劑利用二氧化碳和氫氣制備石墨烯。 這項研究的領頭人、來自卡爾斯魯厄理工學院納米技術研究所（INT）和無機化學研究所（AOC） Molekulare Materialien 課題組的 Mario Ruben 教授解釋道：“如果金屬表面的銅和鈀的比例正確，二氧化碳到石墨烯的轉變，將直接在簡單的一步過程中產生。” 進一步的實驗中，研究人員甚至能夠生產幾層厚的石墨烯，這對于電池、電子元件或過濾材料的可能應用非常有用。該工作組的下一個研究目標是利用制備出的石墨烯形成功能性電子元件。碳材料如石墨烯和磁性分子可能成為未來量子計算機的構建模塊，它可實現超快速和高能效的計算，并且不是基于當今計算機的二進制邏輯。 論文信息： 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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