氣候變化是當今時代最重要的環境問題之一。由於高水平的人為排放的CO2，大氣中的CO2從1950年的315 ppm開始增加，首次超過415 ppm。大氣中的CO2每年增加約2 ppm，等於淨增加約156億噸CO2。電力和運輸中化石燃料的燃燒仍然是造成CO2積累的主要原因。
最重要的是，化石燃料在我們的現代工業中被廣泛用於生產社會必需品。捕獲和減少CO2要求開發有關以下方面的技術組合：（1）高效且長期收集可再生能源，即太陽能，不僅用於電力，而且還直接用作重要化學過程中的能源；（2）碳中和工藝取代目前排放大量CO2的工業工藝，例如鐵和氨的生產；（3）捕集和轉化CO2的新的低成本技術，尤其是在探索將CO2用作燃料或其他有價值的化學物質和材料的原料方面。
美國喬治華盛頓大學化學系Stuart Licht教授團隊在二氧化碳的減排和資源化利用領域取得了一系列的進展：實現CO2轉化為碳納米片、碳納米洋蔥、石墨烯等碳素高值材料。碳納米管的價格是煤炭的1000倍，碳納米洋蔥的價格是煤炭的20000倍。具體研究成果如下：
研究預覽：採用太陽熱電化學工藝（STEP），開展零CO2排放、大規模捕集CO2並使用電解熔融鹽的方法生產高價值納米碳素產品的可持續合成研究。在STEP中，紫外線可見光能集中在光伏裝置上，該裝置產生電能來驅動電解，同時太陽能熱能集中在第二個系統上，為電解池產生熱量。與其他太陽能轉換過程相比，STEP中太陽光全光譜的利用產生了更高的太陽能效率。
已採用STEP進行（1）在熔融氫氧化物電解質中藉助納米Fe2O3從氮氣和水中合成無CO2排放的氨；（2）在鐵礦石的熔融碳酸鹽電解質中電化學還原而無CO2排放的鐵的生產；（3）CO2捕獲並轉化為納米結構的碳產物以及熔融或混合熔融電解質中的燃料；（4）由苯有機電合成苯甲酸，而不會氧化為CO2。
研究預覽：CO2在熔融碳酸鹽電解質中的電化學分解可形成有價值的產品即碳納米管，並且通過將CO 2從溫室氣體轉化為有用的資源。該方法的研究亮點：（1）探討鹼金屬陽離子對CO2轉化為碳納米管的作用；（2）CO2從空氣、煙囪或者純二氧化碳轉化為CNT；（3）高溫鎳陽極對熔融碳酸鹽的電解效果較好；（4）在電解過程中實現熱平衡和次級產物O2。
研究預覽：採用在熔融碳酸鹽中電解二氧化碳的方法生產碳納米洋蔥（CNO），過程耗能低、產出率高。碳納米洋蔥近些年才被人們認識，關於其表面形貌的研究相對較少，是由嵌套同心碳球體組成的碳納米材料。在此，通過從熔融碳酸鹽生長介質中排除成核劑，從而生成大量、均勻的CNO，實現了由CO 2高效、低能的合成CNO。二氧化碳向有價值的材料（如CNOs、碳納米管）的轉化增加了CO2的價值。這一過程不僅降低了溫室氣體的排放，減緩溫室效應，而且帶來經濟效益。
研究預覽：石墨烯的高成本和高的碳足跡是阻礙其發展的重要因素，本文克服了這些障礙，引入了低碳足跡、減少CO2排放的石墨烯廉價合成方法。該方法的亮點有（1）CO2可直接從空氣、煙囪或者純CO2引入系統；（2）CO2通過兩步過程轉化為石墨烯，第一步轉化為碳納米片，第二步將碳納米片電極用作產生石墨烯的剝離電極；（3）該過程，除石墨烯外，次級產物是O2。
如下圖所示，石墨烯的電化學剝離是將石墨層之間的嵌入離子氧化，使層間鍵斷裂並釋放氣體的過程。A：由CO2通過熔融碳酸鹽電解電合成石墨烯，將空氣或煙道氣中的CO2電解分解為超薄石墨烯片狀產品；B：將含有碳酸鹽合成陰極的產物冷卻並置於含有含水（NH4）2SO4的纖維素管中；C：將纖維素管置於帶有反電極的（NH 4）2SO4浴中；施加直流電壓會在石墨烯層之間產生氣體爆裂，使薄片狀薄片脫落，從而產生石墨烯。
CO2合成各種碳納米材料，圖片來源：美國化學學會（ACS）
喬治華盛頓大學化學教授斯圖爾特·利希特（Stuart Licht）將這種方法稱為“空中鑽石”，指的是大氣中的CO2是前體，碳是構成鑽石的材料，也暗示了產品的高價值。更為重要的是C2CNT工藝通過在兩個電極之間施加電（電解）將二氧化碳分解為碳素納米材料和純氧成分。二氧化碳像海綿一樣被吸收在液態鹼式碳酸鹽電解質中，並通過鼓入煙氣或空氣而吸收（無需預先濃縮二氧化碳）。
Licht表示：“通過熔融碳酸鹽電化學分解的方法將大氣中的二氧化碳轉化成有價值的產品如碳納米管、碳納米洋蔥等是一種減少和捕獲CO2的有效方法”。
Licht解釋說：“二氧化碳電解的唯一產品很簡單—高產量的碳素納米材料和氧氣。”“與傳統的石墨反應物相比，碳納米片提供了更薄的起點，從而促進了電化學剝離。”
Licht說：“這種CO2工藝的熔融電解是不尋常的，因為它不僅可以從工業煙氣等濃煙中去除溫室氣體，而且還可以直接從空氣中去除溫室氣體，而無需進行預濃縮或純化。“此外，碳納米材料的強石墨烯鍵可以永久地（即在地質時間框架內）存儲去除的CO2，而燃料產品則在消耗燃料時會再次釋放CO2。
Ｃ２CNT工藝原理圖，圖片來源：Ｌｉｃｈｔ團隊
Licht總結說：“我們的C2CNT研究團隊正在努力實現以碳為基礎的經濟，其變化可與引入塑料經濟相提並論。”“碳經濟將有普通產品例如潤滑劑、電池和結構材料，將被更堅固，功能更強的碳產品所取代，併為從人為碳循環中去除溫室氣體二氧化碳提供基礎。”
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00405
https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.07.007
https://doi.org/10.1002/adsu.201900056
https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.11.019
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