Синтез тонкостенных углеродных нанотрубок из CO₂ методом электролиза в расплавленном карбонате с использованием метабората кальция

Представлен электрохимический синтез, позволяющий превращать парниковый газ CO₂ в углеродные нанотрубки (УНТ) с необычно тонкими стенками и малым диаметром. Превращение протекает с высоким выходом и кулоновской эффективностью в результате четырехэлектронного восстановления CO₂ в расплавленном карбонатном электролите. Электрохимический синтез обусловлен неожиданным синергетическим эффектом кальция и метабората. В чистом расплавленном карбонате лития в течение 4 ч электролиза CO₂ при плотности тока 0,1 А·см⁻² синтезируются УНТ с более толстыми стенками и диаметром 100–160 нм. При такой низкой плотности тока CO₂ без предварительного концентрирования непосредственно поглощается из воздуха (прямой захват CO₂ из воздуха), что обеспечивает обновление и поддержание карбонатного электролита. Добавление 2 мас.% Li₂O в электролит приводит к образованию более тонкостенных и высокооднородных УНТ диаметром 50–80 нм, состоящих примерно из 75 концентрических цилиндрических графеновых стенок. Продукт образуется с высоким выходом: катодный продукт содержит более 98% УНТ. Ранее было показано, что добавление 5–10 мас.% метабората лития в карбонат лития приводит к легированию УНТ бором и десятикратному повышению их электрической проводимости, а добавление карбоната кальция в расплавленный карбонат лития способствует электрохимическому синтезу более тонкостенных УНТ, но с низким выходом — лишь около 15% продукта составляют УНТ. В настоящей работе показано, что при тех же условиях электролиза, но с добавлением 7,7 мас.% метабората кальция в карбонат лития, образуются необычно тонкостенные однородные УНТ диаметром 22–42 нм, состоящие примерно из 25 концентрических цилиндрических графеновых стенок, при высоком выходе — более 90% УНТ.