自工業(yè)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(jié)果造成溫室效應(yīng)日益增強。大氣溫室效應(yīng)的不斷加劇導(dǎo)致全球氣候變暖，產(chǎn)生一系列當(dāng)今科學(xué)不可預(yù)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(tài)惡化。
目前，全球的科學(xué)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(jù)德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）官網(wǎng)近日報道，該校研究人員發(fā)明了一種新技術(shù)，可以將二氧化碳當(dāng)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(zhuǎn)化為生物體內(nèi)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(jīng)過催化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成石墨烯（黑）。（圖片來源：E. Moreno-Pineda, KIT）
受到這種酶的啟發(fā)，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的研究人員研究出一種新的技術(shù)，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(zhuǎn)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(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)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(xué)物理學(xué)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(xué)獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。
德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的幾個課題組合作在《ChemSusChem》期刊上展示這項技術(shù)，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(lǐng)頭人、來自卡爾斯魯厄理工學(xué)院納米技術(shù)研究所（INT）和無機化學(xué)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(zhuǎn)變，將直接在簡單的一步過程中產(chǎn)生?！?/p>
進一步的實驗中，研究人員甚至能夠生產(chǎn)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(yīng)用非常有用。該工作組的下一個研究目標(biāo)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(gòu)建模塊，它可實現(xiàn)超快速和高能效的計算，并且不是基于當(dāng)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
