成果简介
利用清洁、可持续和可再生能源的电气化工艺将CO2和CH4温室气体（GHG）转化为高价值产品，是实现经济和社会最终脱碳的关键步骤。本文，浙江大学薄拯课题组在《Carbon》期刊发表名为“Re-carbon, up-carbon, de-carbon: Plasma-electrified roll-to-roll cleaner production of vertical graphenes and syngas from greenhouse gas mixes”的论文，研究展示了一种与行业相关的、可扩展的等离子电气化的卷对卷工艺，以生产垂直石墨烯 (VG)，用于从温室气体原料中储存能量和合成气。一轮转化效率约为80%。因为反应性等离子体产生的含氧物种导致CH4有效离解，CO2和CH4的适当混合物的VGs的生长温度从预期的700 °C降低到仅300 °C。
开发了一种新的中试工艺，在卷对卷线性微波天线产生的等离子体下，在大面积 (10×100cm2 ) 镍箔上用CH4+CO2制造高VG 。对气态产物和碳质量流量的分析表明，大部分温室气体混合物被有效地转化为高价值合成气（CO和 H2）。结果证明了综合再碳（温室气体的再利用）、增碳（将温室气体转化为高价值的碳基产品，HVCBPs）和脱碳（使用电气化减少与过程相关的碳排放，同时生产用于清洁能源存储的 HVCBP）方法是环保、可扩展且与行业相关的方法。在行业相关规模上广泛采用类似的再碳-增碳-脱碳工艺循环将显著提高用于各种应用的活性纳米碳材料的生产，同时有助于实现最终的零碳排放全球目标。
图文导读
图1、通过中试装置卷对卷低温等离子体工艺制备VG的流程
图2。通过卷对卷 PECVD 工艺生成的生长状态 VG 样品表征
图3。电子显微镜和拉曼光谱揭示了VG生长的动力学和机制。
图4。等离子体中CO2的存在导致高度支化的VG形态。
图5、（a-d ） 显示了在不同温度下沉积的 VG 的 SEM 图像。e ）显示了在不同温度下获得的 VG 的拉曼光谱。（f-i）不同温度下的截面图 SEM 图像
图6。等离子体温室气体上转换过程的碳流图
图7。高度分支的VG形态导致在纽扣电池超级电容器中测试的高性能储能电极
小结
遵循再碳-增碳-脱碳循环经济的启发概念，将温室气体作为宝贵资源加以利用，是缓解与温室气体相关的不断升级的全球变暖和气候变化的有前景的方法。在目前的工作中，使用两种最普遍的温室气体，即CO2和CH4，实施集成的再碳-增碳-脱碳方法，用于VG和高价值合成气的连续中试规模生产。使用连续的卷对卷线性天线微波等离子体系统，高度支化的VG在低温下以10×100cm2的工业相关规模成功沉积在镍箔上。CO2和CH4的高转化率表明研究过程是有效利用温室气体资源的良好候选者。通过优化微波等离子体中CO2与CH4 GHG气体的比例，最低生长温度从700°C 降低到300°C 。电化学测量表明，用 CH4 +CO 2等离子体制造的高度支化的VG的面积电容远大于用纯CH4和CH4+Ar 混合物生长的 VG。
材料表征和光学发射光谱表明，CO2等离子体离解产生的活性氧不仅可以通过促进CH4离解降低制备温度，还可以通过化学/等离子体刻蚀效应改变VG的形态。O和OH等活性氧可以降低CH4的能垒解离，从而显著增强了含碳结构单元的生成，从而降低了VG的生长温度。同时，等离子体暴露会在原始 VG 纳米片上产生大量缺陷和成核位点，从而实现高度支化的 VG 形态。通过比较不同条件下生长的VGs的形态和结构特性，进一步阐述了不同工艺参数的VG制备机制和影响。
这种新方法还可以扩展到低温、大规模CVD生产各种碳纳米材料，以用于各种实际应用。成功地展示了以再碳-增碳-脱碳循环经济为灵感的理念，这有助于实现减少材料制造工艺和其他高碳排放行业温室气体排放的最终目标。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.06.024
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