新型可持续电化学方法将二氧化碳转化为含碳材料

二氧化碳(CO2)是通过各种类型的人类活动排放的主要温室气体。为了减少人类的碳足迹，全球的科学家和政策制定者不断尝试探索减少大气中CO2排放并将其转化为有用形式的新方法。在这方面，将CO2还原为其他含碳形式如一氧化碳、醇类和碳氢化合物的电化学方法受到了相当大的关注。

在此背景下，由Takuy​​aGoto教授领导的日本同志社大学的环境研究人员最近在ElectrochimicaActa上发表了一项研究，展示了一种通过可持续电化学使用熔盐将CO2转化为多壁碳纳米管(MWCNT)的方法。他们的研究可在线获取，其中包括来自哈里斯科学研究所的YutaSuzuki博士和来自环境与数学建模科学系的TsubasaTakeda先生的贡献。

使用可持续的电化学技术，研究团队使用LiCl-KCl熔体促进了CO2向MWCNT的转化。熔融盐用CO2气体饱和并且半浸没的镍(Ni)衬底用作电极。所提供的CO2在程序结束时电化学转化为固体碳。这种绿色转化通过Ni电极/LiCl-KCl熔体/CO2界面处的还原反应发生。

“研究了在723K下LiCl-KCl熔体中Ni电极上CO2的电化学还原。在高极化下，在Ni电极/LiCl-KCl熔体/CO2气体的三相界面处形成了超弯月面，在那里，CO2直接电化学还原为固体碳。通过电化学技术，在Ni电极的润湿区域以及大量熔盐中获得了固体碳，”Goto教授说。

随后使用电子显微镜技术和元素分析对电极沉积碳进行表征表明，获得的碳质材料由直径为30-50nm的MWCNT组成，这是一种商业上可行的纳米结构。然后该团队改变施加的电压并延长反应时间，记录MWCNT的显着变化。电解时间从10分钟增加到180分钟后，生成的多壁碳纳米管的高度增加。

“我们研究了施加电位和电解时间对电沉积碳的形态和结晶度的依赖性。根据我们的实验结果，我们提出了一个在Ni电极上形成MWCNT的模型，”Goto教授说。

所提出的从CO2生成MWCNT的模型分三个阶段进行描述。第一阶段涉及在Ni/LiCl-KCl熔体/CO2界面处将CO2还原成碳原子。在第二阶段，电沉积的碳原子在镍电极表面形成Ni-C化合物(如NiC)。最后，当达到碳在Ni-C化合物中的溶解度极限时，圆柱形MWCNT从第二阶段生成的Ni-C化合物的边缘生长。

总之，该研究确定了一种可持续地将CO2转化为商业上有用的碳质材料的新工艺。此外，由于不使用化石燃料，所采用的电化学过程对环境无害。此外，高温熔盐的使用是独一无二的，因为它可以将CO2气体直接转化为MWCNT。

“我们的研究结果表明，CO2可以转化为碳质功能材料。通过结合非消耗性析氧阳极，该技术可以促进碳回收技术的发展，该技术不仅可以解决全球环境问题，而且可以发挥重要作用在碳定价经济中。不使用化石燃料的材料生产过程将有助于在不久的将来实现可持续发展的社会，”后藤教授说。

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