日本东北大学Hirotomo Nishihara课题组--氧化镁催化甲烷分解合成石墨烯mesosponge

石墨烯mesosponge（GMS）是一类新的介孔碳材料，主要由单层石墨烯壁组成。GMS 传统上是通过化学气相沉积 (CVD) 合成的，在氧化铝 (Al2O3) 纳米颗粒模板上催化甲烷转化。然而，去除Al2O3 模板需要昂贵的费用，且存在环保问题，比如氢氟酸或浓碱等工艺。这项工作中，MgO 作为替代催化模板，催化甲烷转化。相比之下 Al2O3 是一种固体酸催化剂，而MgO 是一种固体碱催化剂，对催化甲烷转化为石墨烯是有活性的，且易溶于盐酸。该工作利用原位重量测量和气体排放分析，研究了CVD 期间的反应机理。研究发现，在活化后的 MgO 表面，甲烷转化为石墨烯片仅需要更低的活化能 （134 kJ mol-1）。一旦形成第一层石墨烯，甲烷到石墨烯的转化率就会降低，活化能增加到 234 kJ mol-1，这与文献报道的值相当。由于第一层相对于附加层增长速度较快，即使用MgO更容易获得单石墨烯层。MgO 衍生的 GMS 具有一系列的独特性质，包括高表面积、开放的中孔、高抗氧化性、柔软性和弹性、较低的体积模量（0.05 GPa)，以及力驱动的可逆液相-气相转变。因此，所提出的 MgO 衍生的 GMS 有望应用于各种领域，包括高压超级电容器和基于力驱动相变的一种新型热泵。

Figure 1. a）热处理前后MgO的XRD图谱。(b) MgO 在Ar中的 TG 曲线。(c) 从 MgO 中解吸CO2 和 H2O 的 GC 曲线。(d) MgO 预热至900 ℃的示意图。(e) MgO 的CO2-TPD 和 NH3-TPD 曲线。

Figure 2. (a) He + CH4 流下的原位 CVD-TG。(b) MgO 和 Al2O3的 TG 曲线的微分图。(c) 在900 ℃下MgO遇到 CH4 时的 GC 曲线。(d) 在900 ℃下MgO遇到 CH4 时的重量增加。(e) MgO在900°C 下用CH4活化前后上的 CO2-TPD 和 NH3-TPD 。(f) 在不同温度下，于He + CH4流动下的CVD-TG。

Figure 3. (a) GMS 合成过程示意图。(b-e) 预热后的MgO、C/MgO、CMS 和GMS的SEM 图像。(f-i)预热后的 MgO、C/MgO、CMS 和GMS的TEM 图像。

Figure 4．(a) MgO衍生 的 CMS 和 GMS 的 XRD 图。(b)不同样品的拉曼光谱。(c) CMS和GMS的N2吸附/解吸等温线。(d) CMSs和GMSs 的中孔分布。

该研究工作由日本东北大学Hirotomo Nishihara课题组于2021年发表Journal of Materials Chemistry A期刊上。原文：Synthesis of graphene mesosponge via catalytic methane decomposition on magnesium oxide。

东北大学（Tohoku University），简称“东北大”，本部位于日本宫城县仙台市，是一所日本顶尖、世界一流的研究型综合国立大学，日本东北地方最高学府。作为日本旧帝国大学之一，东北大是日本文部科学省指定国立大学和超级国际化大学计划的A类顶尖校，八大学工学系联合会、学术研究恳谈会（RU11）、卓越研究生院计划、领先研究生院计划成员，国际高校联盟环太平洋大学联盟、东亚研究型大学协会重要成员，参与日英RENKEI等项目。该校现已涵盖文、理、工、医、农各科。