石墨烯量子點—溫室氣體之敵

材料牛注：近日萊斯大學研究人員開發出了一種新型碳基催化劑材料—N摻雜石墨烯量子點。它可將溫室氣體二氧化碳轉化為烴類化合物如乙烯、乙醇等。

據萊斯大學的科學家報道，石墨烯量子點為二氧化碳的循環利用提供了一種簡單的方法。通過這種方法，二氧化碳可以變為燃料而非排放入大氣或者填埋在地底。

據萊斯大學材料科學家Pulickel Ajayan領導的研究小組報道，N摻雜石墨烯量子點（NGQDs）是一種利用二氧化碳生產碳氫化合物的高效電化學催化劑。利用其電催化作用，已經在實驗室中成功的將二氧化碳轉化為少量的乙烯和乙醇。研究細節于本周發表在Nature Communications。

據報道，盡管還未完全了解其催化機理，但研究者們發現NGQDs的催化效率與銅接近；而銅作為催化劑也被用于將二氧化碳還原為液態燃料和化學品的測試；NGQDs的催化活性可以保持很長時間。

Ajayan說：“鑒于研究者們已經嘗試了幾乎所有類型的催化劑，這項研究的結果讓我們感到驚訝。在這一領域中真正有效的催化劑很少，銅是其中之一。我們的發現顛覆了傳統的認知，因為它為篩選新型催化劑提供了一種有效的途徑，而這些催化劑可以將二氧化碳轉化為價值更高的產品。”

溫室氣體的危害已經不是秘密。通過分析冰芯得到的數據顯示，今年大氣中的二氧化碳的濃度超過了百萬分之400個單位，是近80萬年來的最高值。

“如果我們可以轉化相當大一部分排放的二氧化碳，那么我們將控制住大氣中的二氧化碳含量，進而影響氣候變化。”來自伊利諾伊大學的共同作者Paul Kenis說道。

在實驗室的測試中，與電化學催化劑銅相比，NGQDs可以催化高達90%的二氧化碳并將其中的45%轉化為乙烯或乙醇。

石墨烯量子點是由碳原子組成的單原子層，該原子層是一個納米厚、幾個納米寬的顆粒形狀。加入電流和反應物如二氧化碳時，摻雜N原子的石墨烯量子點可以催化多種化學反應。

Ajayan說：“碳是一種典型的沒有催化活性的物質。我們的問題之一是為何N原子摻雜讓碳原子的催化變得如此有效。當N原子被嵌入正六邊形石墨烯晶格后，N原子可以占據的位置很多。每一個N原子占據的位置具有不同的催化活性。因此，即使人們在過去5-10年中發表了很多關于摻雜和含有缺陷的碳具有催化活性的文章，但其為何具有催化活性依然是一個謎題。”

萊斯大學的博士后研究生、論文共同作者Jingjie Wu說：“我們發現占據石墨烯量子點邊緣的吡啶型氮（一種有機化合物基本元素）使其具有將二氧化碳轉化為烴類的催化活性。下一步的工作在于進一步提升摻雜的氮原子濃度以提高碳氫化合物的產量。”

Ajayan指出，雖然電化學催化作用在實驗室是有效的，但工業生產依賴可擴展的熱催化以生產燃料和化學品。鑒于這一原因，公司可能不會很快的將這一技術用于大批量生產。但電催化作用在實驗室中很容易實現，我們的研究結果對新型催化劑的開發將十分有用。

原文鏈接：Carbon Dots Dash Toward ‘Green’ Recycling Role.

文獻鏈接：A metal-free electrocatalyst for carbon dioxide reduction to multi-carbon hydrocarbons and oxygenates.

本文由材料人編輯部龍騎士提供素材，田思宇翻譯，王子鳴審核，點我加入材料人編輯部。

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