脑洞大开，CO2也能做石墨烯？

ivivi

2019-07-22

说起石墨烯，大概无人不知，无人不晓，在此就不做赘述了。目前，石墨烯面临的两大关键问题，一是杀手锏式应用，一是更环保更简便更高品质的规模化制备技术。制备决定未来，虽然石墨烯发展的如火如荼，但是始终没有一种制备方法能够脱颖而出，令人眼前一亮，这极大地限制了石墨烯的王者之路。

今天，我们就要介绍一种新奇的石墨烯制备策略。实不实用，靠不靠谱，不敢妄自评判，但是不失为一种新思路。

最近看文献，突然看到有人做CO₂制备石墨烯。这是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的Mario Ruben教授等开发出一种CO₂和H₂直接制备石墨烯的新技术。

Cu/Pd催化二氧化碳和氢气制备石墨烯流程示意图

该技术需在1000 ℃高温条件下实现，利用Cu/Pd合金薄膜作为基底和反应催化剂，催化CO₂和H₂直接转化为石墨烯。后续研究表明，如果精确控制合金薄膜中Cu/Pd的比例，甚至可以用来制备几层厚的石墨烯，应用于石墨烯功能性电子元件。

石墨烯产品相关表征信息

刚看到这篇文献的时候，就对作者的脑洞佩服得五体投地。仔细一查，发现其实这一策略早已有之。

CVD制备石墨烯流程示意图

早在2013年，中国科学院化学研究所于贵研究员就开展了CO₂制备石墨烯的研究工作。该方法以CO₂为原料，Cu箔为基底，通过催化活化二氧化碳，成功制备出均一的单晶状的石墨烯片。研究发现，通过调控CO₂流速，可以精确控制石墨烯片形貌，实现从六方状到圆形的转变。所制备的单晶状的石墨烯片具有优良的载流子迁移率。

石墨烯相关表征信息

2016年，中国科学院电工研究所马衍伟研究员团队联合中科院理化技术研究所李江涛研究员团队也发展了一种量化制备石墨烯的新方法。该方法以二氧化碳为原料，金属镁粉为还原剂，纳米氧化镁为模板剂，通过镁粉在二氧化碳气氛中自蔓延燃烧方式，成功制备出富含介孔结构的石墨烯。该方法可以快速、绿色、低成本制备兼具高导电性和高比表面积的石墨烯粉体。

自蔓延高温合成制备石墨烯流程示意图

石墨烯产品相关表征信息

2017年，美国密歇根理工大学Yun Hang Hu 教授发明了一种将二氧化碳转化为表面具有微孔的三维石墨烯的新方法。这种三维表面多微孔的石墨烯具有独特的结构，对于能量存储器件而言将是一种全新的电极材料。后续研究表明，该材料具有超高的面积比电容（达1.28 F/cm²），由它制成的超级电容器具有优越的倍率性能和超高的循环稳定性。

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众所周知，石墨烯的制备方法主要分为甲烷CVD和液相剥离两大方法，利用CO₂取代甲烷，成本和环境方面的优势暂且不提，单单就是合成机理也是一个值得研究的方向。至于CO₂的捕获和搜集，就是后面的事情了，做MOF的同仁，或许到时候就解决这个问题了。或许用CO₂做原料，更容易大规模做出高品质或具有新性能的石墨烯多级结构，也未可知。

参考文献：

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

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.201901404

[2]Liang Chang, Dario J. Stacchiola, Yun Hang Hu. An IdealElectrode Material, 3D Surface-Microporous Graphene for Supercapacitors withUltrahigh Areal Capacitance. ACSAppl. Mater. Interfaces, 2017,9,29,24655-24661.

链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b07381

[3]Chen Li, Xiong Zhang, Kai Wang, Xianzhong Sun, Guanghua Liu, Jiangtao Li, HuanfangTian, Jianqi Li, Yanwei Ma. Scalable Self‐Propagating High‐TemperatureSynthesis of Graphene for Supercapacitors with Superior Power Density andCyclic Stability.Advanced Materials, 2018，28,51.

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201604690

[4]Birong Luo, Hongtao Liu, Lili Jiang, Lang Jiang, Dechao Geng, Bin Wu, WenpingHu, Yunqi Liu，Gui Yu. Synthesis and morphology transformation ofsingle-crystalgraphene domains based on activatedcarbon dioxide by chemical vapor deposition. J. Mater. Chem. C, 2013,1,2990

链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/tc/c3tc30124a