[发明专利]一种以二氧化碳和甲烷为原料制备垂直取向石墨烯的方法

说明书

本发明公开了以二氧化碳和甲烷为原料制备垂直取向石墨烯的方法，所述方法包括如下步骤：1)将需要生长VG的基底材料预热到300～700℃；2)通入CO₂和CH₄的混合气体，比例在1:2～8:3之间，压强维持在10～50Pa；3)在微波电源激发的微波等离子体的条件下，CO₂和CH₄的混合气体在基底材料表面开始生长垂直取向石墨烯。本发明提供的方法既能将温室气体CH₄和CO₂大规模的转化为垂直取向石墨烯材料，又能利用等离子体实现这两种气体向高价值合成气的转化。

技术领域

本发明涉及CO₂资源化利用领域以及石墨烯绿色制备技术领域，特别涉及一种以二氧化碳和甲烷为原料制备垂直取向石墨烯的方法。

背景技术

研究表明，CO₂、CH₄等温室气体能够吸收地球表面辐射的长波红外光，导致地球大气层温度升高。

为了降低温室效应对气候和自然环境的影响，温室气体的捕集和资源化利用技术逐渐受到人们的关注。例如，利用甲烷重整技术可在高温、等离子体或催化剂的作用下，实现将两种最常见的温室气体——CH₄与CO₂转化为可用于进一步合成长链烷烃及醇、羧酸等化合物的高价值合成气 (主要成分：H₂和CO)[Wang Qi et al.Plasma Chem.PlasmaProc.29(3): 217-228]。但是，目前已产业化的温室气体资源化利用方法，还不能得到较高附加值的产品。

垂直取向石墨烯(Vertical Graphene，VG)是由少层数的石墨烯纳米片垂直生长在铜、铁、镍等基底材料表面形成的一种碳纳米材料，由于其独特的形貌和物理化学性质，VG在超级电容器、气体传感器以及光催化等领域的应用均有巨大潜力[Bo Zheng etal.Chem.Soc.Rev.Plasma Proc. 44(8):2108-2121]。相关研究表明，VG可以利用温室气体CH₄为原料，通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)技术进行制备。但是，由于CH₄气体比较稳定，利用纯CH₄制备 VG所需温度通常较高(通常为～700℃)。通常降低VG制备温度的方法是在气体混合物中添加Ar，以此提高等离子体的电子温度，进而促进甲烷的分解[Wu Zhiheng etal.Adv.Mater.Interfaces 7(18)]。但是Ar的存在导致剩余的气体被稀释，限制了含有较多碳氢化合物的排放气体的进一步回收利用。

近年来，有研究指出，O₂、CO₂等含氧气体分解得到的O原子拥有较高的化学活性，可以分解多种挥发性有机化合物。此外，CO₂分解产生的 O原子被证明可以参与CH₄的分解反应[Li Wang et al.Plasma Chem. Plasma Process.29(3):217-228]。因此通过向CH₄等离子体中添加CO₂，可能是一条降低垂直取向石墨烯制备温度的有效途径。在此过程中，等离子体还可能会促进其中的CH₄和CO₂发生重整反应，生成较高价值的合成气成分(CO和H₂)。如果能够实现利用CH₄和CO₂两种温室气体在等离子体中生成VG，同时将两种温室气体转化为合成气，这将实现对原料气体的资源化利用，并对VG大规模绿色制备和产业化应用有较大潜力。

发明内容

本发明的目的在于提高一种以二氧化碳和甲烷为原料制备垂直取向石墨烯的方法，可以解决CH₄制备VG所需温度过高问题，以及实现CH₄和CO₂两种温室气体的资源化利用。