浙大《Nature》子刊：超低温度，3秒将二氧化碳变成石墨

编辑推荐：本研究探索了一种绿色、超低温、高效的方法，在不经过非晶碳石墨化过程的情况下，利用CO2合成具有可控微观结构和形貌的石墨。将CO2与氢化锂的混合物加热到126℃，这是目前合成石墨的最低温度，3s内将CO2转化成石墨亚微片。合成的石墨亚微片作为锂存储负极材料，在1.0 Ag- 1下循环1500次后，其可逆容量可达320 mAh g -1。

由于元素碳具有可调的物理化学性质，因此被广泛应用于催化、冶金、环境修复、能量储存与转化、汽车工业、药物输送等跨学科领域。虽然碳是自然界中质量第四丰富的元素，99%以上的碳以化合物的形式出现，如金属碳酸盐、有机物、碳化物和二氧化碳/一氧化碳。从含碳化合物中可控合成单质碳已成为获得具有各种物理化学性质的碳材料的主要策略。碳原子以不同的方式结合在一起，形成具有不同物理化学性质的碳同素异形体。石墨作为标准条件下最具有热力学稳定性的同素异体，因其优异的物理化学性能，包括电化学储锂、导电和导热、超润滑、化学稳定性和热稳定性而受到人们的特别关注。

石墨可以从天然石墨矿中分离出来，也可以从含碳化合物中合成。天然石墨的分离需要多个步骤，包括石墨开采和大规模选矿提纯，这是复杂和低效的生产方法。在净化过程中，大量的氢氟酸用于去除矿物杂质，破坏了我们的自然环境。为了生产锂离子电池用的电池级石墨，还需要进一步的密集净化。生产天然石墨的总物料损耗高达70%。天然石墨的分离是一个耗时且不环保的过程。此外，天然石墨的微观结构和形态很大程度上取决于其天然矿床。

合成石墨，作为一种具有可调微观结构和形态的晶体碳，其合成过程通常包含两个连续的过程:碳前体的碳化和无定形碳的石墨化。在碳前体如生物质和有机材料的碳化过程中，大量的温室气体(二氧化碳)和有害气体(如一氧化碳、二氧化硫和NOx)，是全球变暖和环境污染的主要原因之一，被排放到大气中。碳化后，碳前体转化为可石墨化或不可石墨化的碳。可石墨化碳在高温(~ 3000℃)下的直接石墨化和不可石墨化碳在~ 1000℃下的催化石墨化是无定形碳转化为石墨的两种主要途径。此外，过渡金属催化剂难以与合成石墨分离。具有可控微观结构和形貌的石墨的绿色高效合成仍然是一个相当大的挑战。

在没有过渡金属催化剂的情况下，环境友好的低温合成石墨是一个巨大的挑战。近日，浙江大学Chu Liang课题组研究人员报道了一种绿色高效的方法，在没有过渡金属催化剂的情况下，在超低温下从二氧化碳合成石墨。二氧化碳转化为石墨，二氧化碳和氢化铝锂的混合物加热至126摄氏度反应而得到，石墨亚微片作为储锂材料，在1.0 Ag-1的条件下循环1500次，可逆容量可达~320 mAh g- 1。

本研究为低温下从温室气体中合成石墨提供了一条途径。这项研究工作以“Green synthesis of graphite from CO2 without graphitization process of amorphous carbon”为题发表在期刊《Nature Communications》上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20380-0

图1. 二氧化碳衍生产物石墨的合成与表征结果

图2. 石墨亚微米片的形态和微观结构表征

图3 CO2与LiAlH4反应的产物的表征结果

图4 石墨的电化学储锂性能表征