[发明专利]一种电解二氧化碳制备石墨烯或碳纳米管的方法

说明书

本发明属于电化学与电池技术领域，尤其涉及一种电解CO₂制备石墨烯或碳纳米管的方法，该方法以一种或多种卤化物为电解质，碱金属或碱土金属氧化物为捕获剂；将装有电解质和捕获剂的反应器加热至400~1000℃，然后向电解质中通入CO₂，采用导电性氧化物材料作为惰性阳极，以金属或碳质材料为阴极进行电解。电解时在阴极可以获得石墨烯与碳纳米管等碳质材料，阳极产生的是氧气；电解之后的阴极产品在进行清洗、干燥等处理后收集。本发明采用的熔盐对二氧化碳具有很强的捕获能力，同时可以循环利用，操作简单，环境友好。

技术领域

本发明属于熔盐电化学与绿色能源领域，特别涉及二氧化碳的捕获与电化学转换利用，具有实现可再生能源与可持续发展的潜在意义，具体是一种电解二氧化碳制备石墨烯或碳纳米管的方法。

背景技术

近年来，由于温室气体排放的逐年增加，全球变暖的问题也日益严峻。据估计，到2100年全球的平均气温将上升1.4~5.8℃。二氧化碳的排放主要是由于化石类原料的燃烧，而在未来的几十年，化石类原料在能源行业的主要地位仍然不可动摇。我国是世界上主要的煤炭消费国，二氧化碳的排放量巨大；作为一个负责任的大国，中国政府一直非常关注二氧化碳捕获和利用技术（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS），并投入巨额资金进行技术攻关和项目示范工程，已取得了阶段性的研究成果。CCUS通常包括两个方面，一方面是二氧化碳的捕获和贮藏(Carbon Capture and Storage，CCS)，另一方面是CO₂捕获与利用(Carbon Capture and Utilization，CCU)。常用的CO₂贮藏技术都存在很大的潜在问题，如CO₂的地质储存和深海储存等方式要求将CO₂封闭在稳定的地质结构中；一旦发生地震或者火山爆发等事件会使储藏的CO₂大量逸出，引发巨大的环境灾害。即使目前被看好的CO₂矿化技术，也存在碱性矿石开采量过大的问题，会给环境带来巨大的压力。谢和平等人(谢和平等，中国能源, 2012,34(10),15-18)提出中国未来二氧化碳减排技术应向捕获和利用相结合的CCU方向发展。只有对CO₂进行资源化利用，使碳进入人类对自然资源与能源利用和再生的循环中，才能从根本上解决CO₂过度排放带来的环境问题。

近年来，熔盐二氧化碳捕获以及电化学转换利用也受到越来越广泛的关注。这是由于二氧化碳在熔体中可以通过直接或者间接的方式转换成为能量载体碳，而得到的碳材料又可以应用到能量存储装置，如电池或超级电容器。武汉大学的汪的华等人(Huayi Yin,et al. Energy Environ. Sci., 2013, 6,1538-1545)在Li₂CO₃–Na₂CO₃–K₂CO₃体系中，以SnO₂为惰性阳极，利用电化学方法将CO₂转化为碳材料并将其应用于超级电容器。Suzuki(Otakea K., et al. Electrochimica Acta. 2013,100:293-599)等人利用LiCl-Li₂O和CaCl₂-CaO熔盐体系也实现了金属热还原CO₂，将其转化为碳材料。但是目前报道的工作大多是采用熔融碳酸盐体系，该体系具有温度低、惰性阳极易于制备等特点，然而相对较高的CO₃^2-浓度及高的粘度限制了其对于CO₂的捕获效率，且阴极产物大多是无定形碳。Suzuki等人虽然在氯化物体系中得到了一定量的碳纳米管，但是由于使用氧离子导体固体电解质阳极的电阻大，电解过程中需要施加更大的电压，使得反应的能耗增加。同时利用阴极电解还原产生的钙，将溶解在熔体中还原二氧化碳，这样不利于产物的收集。这也就意味着在熔盐捕获二氧化碳并原位将其转化为高附加值的石墨烯或者碳纳米管等具有重要意义。

发明内容