[發明專利]一種電解二氧化碳制備石墨烯或碳納米管的方法

有效

• 申請號: 201610007071.3
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105624722B
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 焦樹強;胡麗文;涂繼國;王俊香
• 申請（專利權）人: 北京金呂能源科技有限公司;甘肅鑫呂能源材料有限公司;北京科技大學
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明屬于電化學與電池技術領域，尤其涉及一種電解CO₂制備石墨烯或碳納米管的方法，該方法以一種或多種鹵化物為電解質，堿金屬或堿土金屬氧化物為捕獲劑；將裝有電解質和捕獲劑的反應器加熱至400~1000℃，然后向電解質中通入CO₂，采用導電性氧化物材料作為惰性陽極，以金屬或碳質材料為陰極進行電解。電解時在陰極可以獲得石墨烯與碳納米管等碳質材料，陽極產生的是氧氣；電解之后的陰極產品在進行清洗、干燥等處理后收集。本發明采用的熔鹽對二氧化碳具有很強的捕獲能力，同時可以循環利用，操作簡單，環境友好。

技術領域

本發明屬于熔鹽電化學與綠色能源領域，特別涉及二氧化碳的捕獲與電化學轉換利用，具有實現可再生能源與可持續發展的潛在意義，具體是一種電解二氧化碳制備石墨烯或碳納米管的方法。

背景技術

近年來，由于溫室氣體排放的逐年增加，全球變暖的問題也日益嚴峻。據估計，到2100年全球的平均氣溫將上升1.4~5.8℃。二氧化碳的排放主要是由于化石類原料的燃燒，而在未來的幾十年，化石類原料在能源行業的主要地位仍然不可動搖。我國是世界上主要的煤炭消費國，二氧化碳的排放量巨大；作為一個負責任的大國，中國政府一直非常關注二氧化碳捕獲和利用技術（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS），并投入巨額資金進行技術攻關和項目示范工程，已取得了階段性的研究成果。CCUS通常包括兩個方面，一方面是二氧化碳的捕獲和貯藏(Carbon Capture and Storage，CCS)，另一方面是CO₂捕獲與利用(Carbon Capture and Utilization，CCU)。常用的CO₂貯藏技術都存在很大的潛在問題，如CO₂的地質儲存和深海儲存等方式要求將CO₂封閉在穩定的地質結構中；一旦發生地震或者火山爆發等事件會使儲藏的CO₂大量逸出，引發巨大的環境災害。即使目前被看好的CO₂礦化技術，也存在堿性礦石開采量過大的問題，會給環境帶來巨大的壓力。謝和平等人(謝和平等，中國能源, 2012,34(10),15-18)提出中國未來二氧化碳減排技術應向捕獲和利用相結合的CCU方向發展。只有對CO₂進行資源化利用，使碳進入人類對自然資源與能源利用和再生的循環中，才能從根本上解決CO₂過度排放帶來的環境問題。

近年來，熔鹽二氧化碳捕獲以及電化學轉換利用也受到越來越廣泛的關注。這是由于二氧化碳在熔體中可以通過直接或者間接的方式轉換成為能量載體碳，而得到的碳材料又可以應用到能量存儲裝置，如電池或超級電容器。武漢大學的汪的華等人(Huayi Yin,et al. Energy Environ. Sci., 2013, 6,1538-1545)在Li₂CO₃–Na₂CO₃–K₂CO₃體系中，以SnO₂為惰性陽極，利用電化學方法將CO₂轉化為碳材料并將其應用于超級電容器。Suzuki(Otakea K., et al. Electrochimica Acta. 2013,100:293-599)等人利用LiCl-Li₂O和CaCl₂-CaO熔鹽體系也實現了金屬熱還原CO₂，將其轉化為碳材料。但是目前報道的工作大多是采用熔融碳酸鹽體系，該體系具有溫度低、惰性陽極易于制備等特點，然而相對較高的CO₃^2-濃度及高的粘度限制了其對于CO₂的捕獲效率，且陰極產物大多是無定形碳。Suzuki等人雖然在氯化物體系中得到了一定量的碳納米管，但是由于使用氧離子導體固體電解質陽極的電阻大，電解過程中需要施加更大的電壓，使得反應的能耗增加。同時利用陰極電解還原產生的鈣，將溶解在熔體中還原二氧化碳，這樣不利于產物的收集。這也就意味著在熔鹽捕獲二氧化碳并原位將其轉化為高附加值的石墨烯或者碳納米管等具有重要意義。

發明內容