[發明專利]一種以二氧化碳和甲烷為原料制備垂直取向石墨烯的方法

在審

• 申請號: 202210752665.2
• 申請日: 2022-06-28
• 公開（公告）號: CN115353098A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 薄拯;楊化超;蘇孟翔;嚴建華;岑可法
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭

本發明公開了以二氧化碳和甲烷為原料制備垂直取向石墨烯的方法，所述方法包括如下步驟：1)將需要生長VG的基底材料預熱到300～700℃；2)通入CO₂和CH₄的混合氣體，比例在1:2～8:3之間，壓強維持在10～50Pa；3)在微波電源激發的微波等離子體的條件下，CO₂和CH₄的混合氣體在基底材料表面開始生長垂直取向石墨烯。本發明提供的方法既能將溫室氣體CH₄和CO₂大規模的轉化為垂直取向石墨烯材料，又能利用等離子體實現這兩種氣體向高價值合成氣的轉化。

技術領域

本發明涉及CO₂資源化利用領域以及石墨烯綠色制備技術領域，特別涉及一種以二氧化碳和甲烷為原料制備垂直取向石墨烯的方法。

背景技術

研究表明，CO₂、CH₄等溫室氣體能夠吸收地球表面輻射的長波紅外光，導致地球大氣層溫度升高。

為了降低溫室效應對氣候和自然環境的影響，溫室氣體的捕集和資源化利用技術逐漸受到人們的關注。例如，利用甲烷重整技術可在高溫、等離子體或催化劑的作用下，實現將兩種最常見的溫室氣體——CH₄與CO₂轉化為可用于進一步合成長鏈烷烴及醇、羧酸等化合物的高價值合成氣 (主要成分：H₂和CO)[Wang Qi et al.Plasma Chem.PlasmaProc.29(3): 217-228]。但是，目前已產業化的溫室氣體資源化利用方法，還不能得到較高附加值的產品。

垂直取向石墨烯(Vertical Graphene，VG)是由少層數的石墨烯納米片垂直生長在銅、鐵、鎳等基底材料表面形成的一種碳納米材料，由于其獨特的形貌和物理化學性質，VG在超級電容器、氣體傳感器以及光催化等領域的應用均有巨大潛力[Bo Zheng etal.Chem.Soc.Rev.Plasma Proc. 44(8):2108-2121]。相關研究表明，VG可以利用溫室氣體CH₄為原料，通過等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)技術進行制備。但是，由于CH₄氣體比較穩定，利用純CH₄制備 VG所需溫度通常較高(通常為～700℃)。通常降低VG制備溫度的方法是在氣體混合物中添加Ar，以此提高等離子體的電子溫度，進而促進甲烷的分解[Wu Zhiheng etal.Adv.Mater.Interfaces 7(18)]。但是Ar的存在導致剩余的氣體被稀釋，限制了含有較多碳氫化合物的排放氣體的進一步回收利用。

近年來，有研究指出，O₂、CO₂等含氧氣體分解得到的O原子擁有較高的化學活性，可以分解多種揮發性有機化合物。此外，CO₂分解產生的 O原子被證明可以參與CH₄的分解反應[Li Wang et al.Plasma Chem. Plasma Process.29(3):217-228]。因此通過向CH₄等離子體中添加CO₂，可能是一條降低垂直取向石墨烯制備溫度的有效途徑。在此過程中，等離子體還可能會促進其中的CH₄和CO₂發生重整反應，生成較高價值的合成氣成分(CO和H₂)。如果能夠實現利用CH₄和CO₂兩種溫室氣體在等離子體中生成VG，同時將兩種溫室氣體轉化為合成氣，這將實現對原料氣體的資源化利用，并對VG大規模綠色制備和產業化應用有較大潛力。

發明內容

本發明的目的在于提高一種以二氧化碳和甲烷為原料制備垂直取向石墨烯的方法，可以解決CH₄制備VG所需溫度過高問題，以及實現CH₄和CO₂兩種溫室氣體的資源化利用。