新方法：用二氧化碳製備石墨烯！

背景

化石燃料（例如煤或石油）的燃燒會釋放出大量能量，這些能量可轉化為電能、熱能和動能。但是，這樣也引起了大氣中二氧化碳含量的增長，從而導致全球變暖。

切斷這條因果鏈的想法，激勵著科學家們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，用於合成有價值的材料，將它反饋到可重用循環中，甚至可能是以一種有利可圖的方式。

案例一：用光活性催化劑將二氧化碳變為燃料。

案例二：捕獲溫室氣體，然後將它轉化為有價值的產品，同時產生電能。

創新

今天，筆者要為大家介紹德國科學家們是如何將二氧化碳作為一種有價值的原材料用於化學反應的。

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）在《ChemSusChem》期刊上報告了這個不尋常的的應用。他們將二氧化碳當作一種原材料來製備石墨烯，而石墨烯這種技術材料是一項目前被深入研究的課題。

技術

大自然中就有一個很好的例子。在植物葉子中的光合作用期間，光、水和二氧化碳的組合起來創造出生物質。

在這個過程中，基於金屬的核酮糖二磷酸縮化酶（RuBisCo）的任務就是，從空氣中吸收二氧化碳，使之可用於植物中進一步的化學反應。

受到這種基於金屬酶的自然轉化的啟發，卡爾斯魯厄理工學院研究人員演示了一種新工藝。通過這種工藝，在高達1000攝氏度的溫度以及特別準備的催化活性金屬表面的幫助下，溫室氣體二氧化碳與氫氣一起被直接轉化為石墨烯。

下圖所示：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）。

2004年，英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後將石墨片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。通過這樣不斷的操作，薄片越來越薄，最後得到了僅由一層碳原子組成蜂窩狀結構的薄片，這就是石墨烯。他們兩人也因此於2010年獲得了諾貝爾獎。

這種獨特的結構賦予了石墨烯卓越的性能，使之享有「新材料之王」的美譽。石墨烯的厚度僅為人類髮絲直徑的百萬分之一，而強度卻勝過鋼鐵百倍，導電性能優於銅，這些特性都非常適合電子器件。此外，石墨烯還具備良好的柔性，因此也很有希望應用於未來的柔性電子器件。

如今，石墨烯已經應用於許多領域，例如柔性電子、高效晶體管、新型感測器、新材料、電池、超級電容、半導體製造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療、航天能源技術、分子電子等。

卡爾斯魯厄理工學院的幾個課題組合作在《ChemSusChem》期刊上展示了一種方法，通過金屬催化劑從二氧化碳和氫氣中分離石墨烯。

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。」

價值

在後續的實驗中，研究人員甚至能夠製造出幾層厚的石墨烯，這種石墨烯將有望應用於電池、電子元器件或者過濾材料。

工作小組的下一個研究目標就是，通過這樣獲取的石墨烯製作功能性的電子元器件。碳材料例如石墨烯和磁性分子將成為未來量子計算機的基礎，量子計算機將帶來超高速且節能的計算，而且不是基於當今計算機的二進位邏輯器件。

關鍵字

二氧化碳、石墨烯、量子計算機

參考資料

【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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