本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年11月20日提交的名称为“CarbonDioxideReductionoverSingleWallCarbonNanotubes(单壁碳纳米管上的二氧化碳还原)”的美国临时申请序列号61/906,616的优先权，其内容通过引用整体并入本文用于所有目的。
技术领域：
本文所述的实施方案一般地涉及用于还原二氧化碳的分层含碳材料，以及相关的系统和方法。
背景技术：
：由于对化石燃料的需求不断扩大，在最近100年中人造二氧化碳(CO2)的排放急剧增加。在20世纪初，全球每年的石油消耗量为约1.5亿桶。现在不到两天就消耗这些量。同样地，自1985年，煤的全球使用量增加了一倍多，从每年约70千万亿BTU到现在超过150千万亿BTU。全球热数据记录和气候模型的进展证明了加速的变暖。2007年，政府间气候变化专门委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)推断，不可否认的全球变暖非常可能是人为的(95％置信度)，大部分责任归咎于来自化石燃料的全球CO2排放的增加。此外，由于全世界的经济和人口增长，预计未来数十年中二氧化碳的排放会增加。附图说明参照附图可以更好地理解本公开内容的多个方面。附图中的组件不一定按比例绘制，而将重点放在清楚地示出本公开内容的原理。此外，在附图中，在所有的若干视图中，相同的附图标记指代对应的部分。图1A和1B是根据本公开内容多个实施方案的用于以单壁碳纳米管进行二氧化碳还原的池的实例的图示。图2是示出了根据本公开内容多个实施方案的SWNT膜的计时安培法响应的实例的图。图3是示出了根据本公开内容多个实施方案的Ar和CO2饱和电解质中SWNT膜电极的循环伏安图的实例的图。图4是示出了根据本公开内容多个实施方案的SWNT盘电极在不同旋转速度下的线性扫描伏安图的图。图5是示出了根据本公开内容多个实施方案的SWNT膜在电化学活化之前和之后的CO2还原活性的实例的图。具体实施方式本文公开了涉及以包含分层的含碳材料(例如，单壁碳纳米管膜)的电极进行二氧化碳还原的多个实例。碳基燃料具有难以替代的优点。这些优点中最大的或许是用于其分配和使用的庞大的现有基础设施。碳基燃料还具有与其他燃料相比较高的能量密度。因此，几乎没有动机去寻找替代品。鉴于这一现实，考虑了使用可再生(太阳、风、波浪)能源或深(核)能源将废CO2催化转化回可用的燃料和/或商品化学品以降低CO2水平。CO2的大规模催化转化将通过使CO2再循环成有用的燃料以影响全球碳平衡，使得相应的回报(全球CO2和温度稳定)巨大。仅有几种贵金属催化剂在低的过电位下表现出高的CO2催化转化。过电位定义为对于催化剂用于使反应进行的超过热力学最小电压的电压。例如，银催化剂已在离子液体介质中在-0.17V的低过电位下显示出CO2还原。类似地，氢化钯(Pd)电极在电解质中存在吡啶的情况下在-0.20V的过电位下显示出CO2还原。然而，没有非贵金属催化剂在这样低的过电位下表现出CO2还原。最好的非贵金属催化剂之一是铁5,10,15,20-四(2,6-二羟基苯基)-卟啉(FeTDHPP)，其在-0.43V的过电位下表现出CO2还原。Ni-四氮杂环十四烷(Ni-cyclam)和Mn基羰基络合物分别在-0.55V和-0.51V的过电位下在乙腈中显示出有效的CO2还原。一些基于铜和锌氧化物的电极在-0.3V至-0.7V的过电位范围中在水性电解质中显示出二氧化碳还原活性。在本公开内容中，在非常低的过电位下显示出在分层的含碳材料(如单壁碳纳米管膜)上的CO2的电化学还原。合适的分层含碳材料的实例包括但不限于，碳纳米管(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管)、碳-碳致密体(例如，包含碳颗粒和碳化聚合物粘合剂的复合材料)、碳纳米纤维(例如，叠杯式碳纳米纤维)、多层石墨烯膜(例如，双层石墨烯、三层石墨烯)、还原的氧化石墨烯、热解石墨(例如，高度有序的热解石墨)和微晶石墨(例如，无定形石墨)。在本发明的上下文中已经认识到，某些含碳材料能够在低过电位下催化CO2还原。在一些实施方案中，含碳材料包含多个sp2键合的碳原子。在一些情况下，包含多个sp2键合的碳原子的材料可被称为sp2键合碳材料。在一些实施方案中，sp2键合碳材料中的sp2键合的碳原子的百分比为至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约99％、或约100％。在某些情况下，sp2键合碳材料中的sp2键合的碳原子的百分比在以下范围中：约50％至约100％、约60％至约100％、约70％至约100％、约80％至约100％、约90％至约100％、约95％至约100％、或约99％至约100％。在一些实施方案中，sp2键合碳材料包含一个或更多个芳香族环(例如，芳香族环网络)，所述芳香族环包含至少一部分sp2键合碳原子。在一些实施方案中，含碳材料具有相对较高的碳百分比。在某些情况下，含碳材料中碳的原子百分比(例如，碳原子数与总原子数的百分比率)为至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、或至少约99％。在一些情况下，含碳材料中碳的原子百分比在以下范围中：约50％至约99％、约60％至约99％、约70％至约99％、约80％至约99％、约90％至约99％、或约95％至约99％。在某些实施方案中，含碳材料基本上不含杂原子。在一些情况下，含碳材料包含一种或更多种杂原子。如本文所使用的杂原子是指不是碳或氢的原子(例如，氧、氮)。在一些实施方案中，含碳材料具有相对较高的导电率。在某些情况下，例如，来自一个或更多个芳香族环(例如，芳香族环网络)的离域π电子促进在整个含碳材料中的电荷传输。因此，在一些情况下，含碳材料具有相对较低的电阻。在一些实施方案中，含碳材料的薄层电阻为约1000欧姆/平方或更小、约500欧姆/平方或更小、约200欧姆/平方或更小、约100欧姆/平方或更小、约50欧姆/平方或更小、约20欧姆/平方或更小、或者约10欧姆/平方或更小。在一些实施方案中，含碳材料的薄层电阻在以下范围中：约10欧姆/平方至约20欧姆/平方、约10欧姆/平方至约50欧姆/平方、约10欧姆/平方至约100欧姆/平方、约10欧姆/平方至约200欧姆/平方、约10欧姆/平方至约500欧姆/平方、或者约10欧姆/平方至约1000欧姆/平方。薄层电阻可根据本领域已知的任意方法进行测量。例如，可使用四点探针测量薄层电阻。在一些实施方案中，含碳材料包含彼此电连通的多个不连续的导电结构。例如，在某些实施方案中，含碳材料可包含多个导电碳纳米管和/或导电碳颗粒(例如，石墨颗粒)。在一些情况下，多个不连续的导电结构可包含sp2键合碳。在一些实施方案中，多个导电结构可被布置成使得电荷能够通过含碳材料传导(例如，导电结构可形成导电网络)。在本发明的上下文中还认识到，具有分层结构的含碳材料能够在低过电位下催化CO2还原。如本文中所使用的分层结构是指包括多个层(例如，薄层)的结构，其中一个层的至少一部分与相邻层的至少一部分相隔有限的间距。在一些情况下，层可包含以间距(例如，有限间距)或其他边界为界的一定量材料(例如，含碳材料)。在一些情况下，分层结构的层可为基本上连续的。在一些实施方案中，分层结构的层可包括多个独立的不连续结构(例如，碳纳米管)。层可具有任意合适的形状。例如，分层结构的层可为基本上平面的、基本上圆柱形的、基本上球形的、或不规则形状的。在一些情况下，层可包括一个或更多个凸起。根据一些实施方案，分层结构可包括一个或更多个碳纳米管(例如，SWNT)束。分层的含碳材料可具有任意合适的结构。在一些情况下，分层结构包括多个基本上平行的层。在一些实施方案中，至少两个相邻层通过范德华力保持在一起。在一些实施方案中，至少两个相邻层通过至少一种共价键、至少一种离子键、和/或至少一种氢键保持在一起。根据一些实施方案，至少两个相邻层之间的间距可以足够大以使一种或更多种离子(例如，阴离子、阳离子)和/或一种或更多种中性分子插入两个层之间。所述一种或更多种离子可以是单原子的或多原子的。在某些情况下，所述一种或更多种离子和/或中性分子可包含一种或更多种杂原子。在一些实施方案中，至少两个相邻层之间的间距为至少约0.1nm、至少约0.5nm、至少约1nm、至少约2nm、至少约5nm、或至少约10nm。在一些实施方案中，至少两个相邻层之间的间距在以下范围中：约0.1nm至约0.5nm、约0.1nm至约1nm、约0.1nm至约2nm、约0.1nm至约5nm、约0.1nm至约10nm、约0.5nm至约1nm、约0.5nm至约2nm、约0.5nm至约5nm、约0.5nm至约10nm、约1nm至约2nm、约1nm至约5nm、约1nm至约10nm或约5nm至约10nm。在一些实施方案中，分层的含碳材料包含多个碳纳米管(CNT)。碳纳米管一般地指包含石墨烯层的基本上为圆柱形的纳米结构。在一些实施方案中，CNT可以是单壁碳纳米管(例如，包含单个石墨烯层的CNT)。在另一实施方案中，CNT可以是多壁碳纳米管(例如，包含两个或更多个石墨烯层的CNT)。在一些实施方案中，含碳材料中为SWNT的CNT的百分比相对较高。例如，含碳材料中为SWNT的CNT的百分比可为至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约99％、或约100％。在某些情况下，含碳材料中为SWNT的CNT的百分比可在以下范围中：约50％至约100％、约60％至约100％、约70％至约100％、约80％至约100％、约90％至约100％、约95％至约100％、或约99％至约100％。在一些实施方案中，两个或更多个CNT可彼此结合并形成束。束中的CNT可通过范德华力保持在一起。在一些情况下，CNT束包括至少约2个CNT、至少约5个CNT、至少约10个CNT、至少约30个CNT、至少约50个CNT、至少约70个CNT、至少约100个CNT、至少约200个CNT、至少约500个CNT、至少约700个CNT、或至少约1000个CNT。在一些实施方案中，CNT束的直径为至少约5nm、至少约10nm、至少约20nm、至少约50nm、或至少约100nm、至少约200nm、或至少约500nm。在一些情况下，分层的含碳材料可包含一个或更多个CNT束。在一些情况下，分层的含碳材料的至少两个CNT束通过范德华力保持在一起。在某些实施方案中，包含多个CNT(例如，SWNT)的分层的含碳材料可表现出相对较高的导电率。在一些实施方案中，分层的含碳材料中的至少一部分CNT是导电的。例如，至少一部分CNT可以是掺杂有电荷转移物质(例如，溴、碘、碱金属)的半导体型纳米管或金属型纳米管。根据一些实施方案，导电CNT可以是电连通的，使得电荷可以在整个分层的含碳材料中传输。在一些情况下，分层的含碳材料的CNT具有相对较小的直径。在某些实施方案中，至少一部分CNT的直径为约100nm或更小、约50nm或更小、约20nm或更小、约10nm或更小、约5nm或更小、约2nm或更小、或约1nm或更小。在一些实施方案中，至少一部分CNT的直径在以下范围中：约1nm至约2nm、约1nm至约5nm、约1nm至约10nm、约1nm至约20nm、约1nm至约50nm、或约1nm至约100nm。在一些实施方案中，分层的含碳材料中CNT的数均直径在以下范围中：约1nm至约2nm、约1nm至约5nm、约1nm至约10nm、约1nm至约20nm、约1nm至约50nm、或约1nm至约100nm。在某些情况下，分层的含碳材料中基本上全部的CNT的直径在以下范围中：约1nm至约2nm、约1nm至约5nm、约1nm至约10nm、约1nm至约20nm、约1nm至约50nm或约1nm至约100nm。本文所述的CNT可根据本领域已知的任意方法进行描述。合适方法的非限制性实例包括化学气相沉积、激光烧蚀、和热等离子体法。在一些实施方案中，分层的含碳材料包括碳-碳致密体。如本文所使用的碳-碳致密体是指包含多个碳颗粒(例如，石墨颗粒)和碳化聚合物粘合剂的复合材料。例如，碳-碳致密体可通过使多个碳颗粒在聚合物粘合剂中热解(例如，使碳颗粒和聚合物粘合剂在惰性气氛下经历至少约1000℃的温度)使得聚合物粘合剂被碳化来形成。在一些实施方案中，碳颗粒包含多个sp2键合碳。例如，在一些情况下，碳颗粒可以是石墨颗粒(例如，包含一个或更多个石墨烯薄层的颗粒)。在一些实施方案中，碳颗粒可相对较小。例如，碳颗粒的数均最大截面尺寸可为约50μm或更小、约20μm或更小、约10μm或更小、约5μm或更小、约1μm或更小、约500nm或更小、约200nm或更小、约100nm或更小、约50nm或更小、约20nm或更小。在一些实施方案中，碳颗粒的数均最大截面尺寸可在以下范围中：约20nm至约50nm、约20nm至约100nm、约20nm至约200nm、约20nm至约500nm、约20nm至约1μm、约20nm至约5μm、约20nm至约10μm、约20nm至约20μm、或约20nm至约50μm。如本文所使用的颗粒的最大截面尺寸是指颗粒的两个相反边界之间可测量的最大距离(例如，直径)。碳颗粒可具有任意合适的形状。例如，至少一部分碳颗粒可为基本上球形的、基本上片状的、基本上针状的、不规则形状的、或任意其他形状。在一些实施方案中，碳颗粒在热解之前嵌入聚合物中。所述聚合物可以是由碳、氢和氧组成的能够被碳化的任意聚合物。合适的聚合物的实例包括但不限于，聚(糠醇)、聚乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、酚醛树脂、和石墨水泥。在一些情况下，可使用包含除碳、氢和氧之外的元素的聚合物。合适的聚合物的非限制性实例包括聚苯胺、聚吡咯、和聚噻吩。可选择聚合物使得在碳化之后碳-碳致密体具有相对较高的导电率。在一些实施方案中，多个碳颗粒的至少一部分是导电的。在一些情况下，多个导电碳颗粒是彼此电连通的。例如，多个碳颗粒可形成网络，促进电荷在整个碳-碳致密体中的传输。在一些实施方案中，分层的含碳材料包含多个碳纳米纤维。碳纳米纤维一般地是指包含石墨烯层的碳纳米结构，所述石墨烯层布置为堆叠的锥体、杯状物、和/或片。在一些实施方案中，碳纳米纤维是基本上管状的。在一些实施方案中，至少一部分的碳纳米纤维的直径为至少约10nm、至少约20nm、至少约50nm、至少约70nm、至少约100nm、至少约150nm、至少约200nm、至少约500nm、至少约700nm、或至少约1μm。在一些实施方案中，多个碳纳米纤维的至少一部分的直径在以下范围中：约10nm至约20nm、约10nm至约50nm、约10nm至约70nm、约10nm至约100nm、约10nm至约150nm、约10nm至约200nm、约10nm至约500nm、约10nm至约700nm、约10nm至约1μm、约50nm至约100nm、约50nm至约150nm、约50nm至约200nm、约50nm至约500nm、约50nm至约700nm、约50nm至约1μm、约100nm至约200nm、约100nm至约500nm、约100nm至约700nm、或约100nm至约1μm。在一些实施方案中，分层的含碳材料中的碳纳米纤维的数均直径在以下范围中：约10nm至约20nm、约10nm至约50nm、约10nm至约70nm、约10nm至约100nm、约10nm至约150nm、约10nm至约200nm、约10nm至约500nm、约10nm至约700nm、约10nm至约1μm、约50nm至约100nm、约50nm至约150nm、约50nm至约200nm、约50nm至约500nm、约50nm至约700nm、约50nm至约1μm、约100nm至约200nm、约100nm至约500nm、约100nm至约700nm、或约100nm至约1μm。本文所述的碳纳米纤维可根据本领域已知的任意方法进行描述。合适方法的非限制性实例包括化学气相沉积、激光烧蚀和热等离子体法。如本文所使用的术语“石墨烯”被赋予其在本领域中的普通含义并且一般地是指彼此共价结合的碳原子(例如，sp2键合碳)的单个原子层。sp2键合碳形成一般包含6元环的重复单元。在一些情况下，石墨烯层包括基面和外围或边缘，所述基面包含芳香族环的稠合网络，所述外围或边缘包含稠合网络的末端碳原子。在一些情况下，基面可以是扁平的或弯曲的。如本文所使用的术语“石墨”是指两个或更多个石墨烯层。本文所述的分层的含碳材料可根据本领域已知的任意方法合成。例如，2007年8月28日公布的美国专利No.7,261,852(其通过引用整体并入本文)描述了在过滤隔膜上制造SWNT薄膜。简言之，将均匀的表面活性剂悬浮体中的SWNT真空或加压过滤至过滤隔膜的表面。过滤隔膜的孔过小以致SWNT不能有效渗透(通常约0.1μm至0.22μm)，导致纳米管在隔膜的顶面上组装为薄膜。在一些实施方案中，过滤隔膜构成了完整装置的一部分。此外，过滤隔膜可以是疏液的以防止电解质从池体积中泄漏。水性SWNT表面活性剂悬浮体中过量的表面活性剂可促进在SWNT膜组装期间水通过疏液隔膜渗透。随后可通过以表面活性剂在其中高度可溶的溶剂洗涤从SWNT膜和过滤隔膜洗掉表面活性剂。然后可使SWNT膜干燥，使SNWT固结成连续的导电膜。疏液隔膜的非限制性实例包括聚四氟乙烯(PTFE，商品名特氟龙)和疏水性改性聚酰胺(商品名疏水性改性尼龙)。在本发明的一些实施方案中，多孔隔膜可由疏水性聚合物构造，例如，四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、或疏水性聚酰胺。在本发明的另一些实施方案中，多孔隔膜可以是一般被认为是亲水性的聚合物，其中对表面进行处理以获得疏水性表面。金属可以沿着SWNT的一个边缘以充分交叠的方式蒸镀以与纳米管电接触。然后可以使用电极。在一些实施方案中，电极包含本文所述的含碳材料。在一些情况下，含碳材料可以是sp2键合碳材料。包含sp2键合碳材料的电极可被称为sp2键合碳电极。在一些实施方案中，电极包含单个含碳材料(例如，sp2键合碳材料)层。在一些情况下，电极包含多个含碳材料层(例如，电极包含分层的含碳材料)。在某些实施方案中，电极包含具有泡沫和/或毡形式的分层的含碳材料。因此，电极可包含多个孔(例如，导管、空隙、通道)。在一些实施方案中，电极的孔隙率为至少约10体积％、至少约20体积％、至少约30体积％、至少约40体积％、至少约50体积％、至少约60体积％、至少约70体积％、至少约80体积％或至少约90体积％。在一些情况下，电极的孔隙率在以下范围中：约10体积％至约20体积％、约10体积％至约30体积％、约10体积％至约40体积％、约10体积％至约50体积％、约10体积％至约60体积％、约10体积％至约70体积％、约10体积％至约80体积％、约10体积％至约90体积％、约20体积％至约30体积％、约20体积％至约40体积％、约20体积％至约50体积％、约20体积％至约60体积％、约20体积％至约70体积％、约20体积％至约80体积％、约20体积％至约90体积％、约40体积％至约50体积％、约40体积％至约60体积％、约40体积％至约70体积％、约40体积％至约80体积％、约40体积％至约90体积％、约60体积％至约70体积％、约60体积％至约80体积％、或约60体积％至约90体积％。在一些实施方案中，电极的多个孔的平均孔径(例如，数均最大截面尺寸)相对较大。例如，平均孔径可为至少约1μm、至少约2μm、至少约5μm、至少约10μm、至少约20μm、至少约50μm、至少约100μm、至少约200μm、至少约500μm、至少约1mm、至少约2mm、或至少约5mm。在一些实施方案中，平均孔径在以下范围中：约1μm至约2μm、约1μm至约5μm、约1μm至约10μm、约1μm至约20μm、约1μm至约50μm、约1μm至约100μm、约1μm至约200μm、约1μm至约500μm、约1μm至约1mm、约1μm至约2mm、约1μm至约5mm、约10μm至约20μm、约10μm至约50μm、约10μm至约100μm、约10μm至约200μm、约10μm至约500μm、约10μm至约1mm、约10μm至约2mm、约10μm至约5mm、约100μm至约200μm、约100μm至约500μm、约100μm至约1mm、约100μm至约2mm、约100μm至约5mm、约1mm至约2mm、或约1mm至约5mm。孔可具有任意合适的形状。例如，至少一部分孔可具有基本上圆形的、基本上椭圆形的、基本上多边形的、或不规则的截面。在一些情况下，包含分层的含碳材料的电极具有相对较大的表面积。如本文中所使用的术语“表面积”是指体相表面积(bulksurfacearea)(例如，流体如液体电解质能够接触的电极所有表面的面积)。在一些实施方案中，电极的表面积为至少约100m2/g、至少约200m2/g、至少约500m2/g、至少约700m2/g、或至少约1000m2/g。在一些实施方案中，电极的表面积在以下范围中：约100m2/g至约200m2/g、约100m2/g至约500m2/g、约100m2/g至约700m2/g、约100m2/g至约1000m2/g、约200m2/g至约500m2/g、约200m2/g至约700m2/g、约200m2/g至约1000m2/g、或约500m2/g至约1000m2/g。在某些实施方案中，包含分层的含碳材料的电极具有相对较低的密度。在一些情况下，电极的密度为约5g/cm3或更小、约2g/cm3或更小、约1g/cm3或更小、约0.5g/cm3或更小、约0.2g/cm3或更小、或者约0.1g/cm3或更小。在一些实施方案中，电极的密度在以下范围中：约0.1g/cm3至约0.2g/cm3、0.1g/cm3至约0.5g/cm3、0.1g/cm3至约1g/cm3、0.1g/cm3至约2g/cm3、或约0.1g/cm3至约5g/cm3。根据一些实施方案，包含分层的含碳材料的电极可用于电化学还原二氧化碳。在一些实施方案中，CO2还原可在相对较低的过电位下开始。在某些情况下，CO2还原可在以下过电位下开始：约1V或更低、约0.7V或更低、约0.5V或更低、约0.2V或更低、约0.1V或更低、约0.05V或更低、或者约0.01V或更低。在一些实施方案中，CO2还原可在以下范围中的过电位下开始：约0.01V至约0.05V、约0.01V至约0.1V、约0.01V至约0.2V、约0.01V至约0.5V、约0.01V至约0.7V、约0.01V至约1V、约0.05V至约0.1V、约0.05V至约0.2V、约0.05V至约0.5V、约0.05V至约0.7V、约0.05V至约1V、约0.1V至约0.5V、约0.1V至约0.7V、约0.1V至约1V、约0.2V至约0.5V、约0.2V至约0.7V、约0.2V至约1V、或约0.5V至约1V。电极可具有任意合适的厚度。在一些实施方案中，电极的厚度为约5000μm或更小、约2000μm或更小、约1000μm或更小、约500μm或更小、约200μm或更小、约100μm或更小、约50μm或更小、约20μm或更小、约10μm或更小、约5μm或更小、约2μm或更小、约1.5μm或更小、约1μm或更小、约500nm或更小、约100nm或更小、约50nm或更小、约20nm或更小、或者约10nm或更小。在一些实施方案中，电极的厚度在以下范围中：约10nm至约20nm、约10nm至约50nm、约10nm至约100nm、约10nm至约500nm、约10nm至约1μm、约10nm至约1.5μm、约10nm至约2μm、约10nm至约5μm、约10nm至约10μm、约10nm至约20μm、约10nm至约50μm、约10nm至约100μm、约10nm至约200μm、约10nm至约500μm、约10nm至约1000μm、约10nm至约2000μm、约10nm至约5000μm、约50nm至约100nm、约50nm至约500nm、约50nm至约1μm、约50nm至约1.5μm、约50nm至约2μm、约50nm至约5μm、约50nm至约10μm、约50nm至约20μm、约50nm至约50μm、约50nm至约100μm、约50nm至约200μm、约50nm至约500μm、约50nm至约1000μm、约50nm至约2000μm、约50nm至约5000μm、约100nm至约500nm、约100nm至约1μm、约100nm至约1.5μm、约100nm至约2μm、约100nm至约5μm、约100nm至约10μm、约100nm至约20μm、约100nm至约50μm、约100nm至约100μm、约100nm至约200μm、约100nm至约500μm、约100nm至约1000μm、约100nm至约2000μm、约100nm至约5000μm、约500nm至约1μm、约500nm至约1.5μm、约500nm至约2μm、约500nm至约5μm、约500nm至约10μm、约500nm至约20μm、约500nm至约50μm、约500nm至约100μm、约500nm至约200μm、约500nm至约500μm、约500nm至约1000μm、约500nm至约2000μm、约500nm至约5000μm、约1μm至约2μm、约1μm至约5μm、约1μm至约10μm、约1μm至约20μm、约1μm至约50μm、约1μm至约100μm、约1μm至约200μm、约1μm至约500μm、约1μm至约1000μm、约1μm至约2000μm、约1μm至约5000μm、10μm至约20μm、约10μm至约50μm、约10μm至约100μm、约10μm至约200μm、约10μm至约500μm、约10μm至约1000μm、约10μm至约2000μm、约10μm至约5000μm、约100μm至约200μm、约100μm至约500μm、约100μm至约1000μm、约100μm至约2000μm、约100μm至约5000μm、约1000μm至约2000μm或约1000μm至约5000μm。在一些实施方案中，电极可用在被设计为催化CO2电还原的装置(例如，CO2还原池)中。在一些实施方案中，CO2还原池可包括：包含分层的含碳材料(例如，SWNT)的工作电极；对电极；和电解质。对电极可包含任何导电材料。适用于对电极的材料的实例包括但不限于，铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、不锈钢、玻璃碳、和半导体氧化物。在某些实施方案中，对电极可催化析氧。在一些实施方案中，电解质可位于工作电极与对电极之间。在某些实施方案中，电解质可与工作电极直接接触。根据一些实施方案，电解质可包含溶解CO2。电解质可以是液体电解质或固体电解质。在电解质是液体电解质的情况下，CO2还原池可包括其中工作电极、液体电解质、和气态CO2接触的三相界面。在一些实施方案中，三相界面可具有相对较大的表面积。在一些实施方案中，CO2还原池还包括位于工作电极与对电极之间的隔板。在一些情况下，隔板位于包括工作电极的第一室与包括对电极的分开的第二室之间。在一些实施方案中，第一室可包含第一电解质，第二室可包含第二电解质。第一电解质和第二电解质可以是相同或不同的。在一些情况下，隔板可允许某些离子(例如，电解质离子)的传输。在一些情况下，隔板阻止反应产物的传输。本领域普通技术人员能够选择合适的隔板材料。在一些实施方案中，CO2还原池可包括多孔隔膜。根据一些实施方案，多孔隔膜包括第一侧和与第一侧相反的第二侧。在一些情况下，含碳材料(例如，分层的含碳材料)布置在多孔隔膜的第一侧上。在一些情况下，第二侧包含疏液和/或疏水性材料。在一些情况下，CO2可扩散通过多孔隔膜。根据一些实施方案，CO2还原池还包括电源(例如，电池)。在一些情况下，电源通过接触电极连接至工作电极。例如，接触电极可与一部分工作电极交叠。接触电极可包含任何导电材料。适用于接触电极的材料的非限制性实例包括Pt、Pd、Ni、不锈钢、玻璃碳、和半导体氧化物。在操作中，电源可任选地向工作电极供电(例如，施加电压)。在一些实施方案中，工作电极具有相对较高的比电容。例如，在一些情况下，工作电极的比电容为至少约1F/g、至少约5F/g、至少约10F/g、至少约50F/g、至少约100F/g、至少约200F/g、至少约300F/g、至少约400F/g、至少约500F/g、至少约600F/g、至少约700F/g、至少约800F/g、至少约900F/g、或至少约1000F/g。在一些实施方案中，工作电极的比电容在以下范围中：约1F/g至约5F/g、约1F/g至约10F/g、约1F/g至约50F/g、约1F/g至约100F/g、约1F/g至约200F/g、约1F/g至约300F/g、约1F/g至约400F/g、约1F/g至约500F/g、约1F/g至约600F/g、约1F/g至约700F/g、约1F/g至约800F/g、约1F/g至约900F/g、约1F/g至约1000F/g、约10F/g至约50F/g、约10F/g至约100F/g、约10F/g至约200F/g、约10F/g至约300F/g、约10F/g至约400F/g、约10F/g至约500F/g、约10F/g至约600F/g、约10F/g至约700F/g、约10F/g至约800F/g、约10F/g至约900F/g、约10F/g至约1000F/g、约100F/g至约200F/g、约100F/g至约300F/g、约100F/g至约400F/g、约100F/g至约500F/g、约100F/g至约600F/g、约100F/g至约700F/g、约100F/g至约800F/g、约100F/g至约900F/g、约100F/g至约1000F/g、或约500F/g至约1000F/g。比电容可根据本领域已知的任意方法获得。例如，比电容可由使用循环伏安法进行的测量来计算。在一些实施方案中，工作电极可与电解质中的至少一部分溶解CO2接触。在与工作电极的分层的含碳材料接触时，CO2可被还原成一种或更多种产物。反应产物的非限制性实例包括甲酸盐、一氧化碳、甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、乙酸、甲醛和乙醛。在一些实施方案中，一种或更多种反应产物可以是气体和/或液体。在一些情况下，可收集并存储反应产物用于以后使用。在一些实施方案中，产生CO2还原电流。一些方面涉及还原二氧化碳的方法。根据一些实施方案，方法可包括向电极(例如，sp2键合碳电极)提供包含溶解CO2的电解质的步骤。在一些实施方案中，所述方法还包括经由电还原来还原溶解CO2。还原步骤可以例如通过向电极供电发生。在一些情况下，可通过从电源向电极施加电压(例如，通过与电源和电极电连通的接触电极)来向电极供电。任选地，所述方法可包括使CO2与电解质混合以产生包含溶解CO2的电解质的步骤。在一些情况下，可使CO2与电解质间接混合。在某些实施方案中，CO2可扩散通过隔膜(例如，疏液多孔隔膜)以与电解质混合。图1A和1B示出了根据某些实施方案的被设计用于CO2还原的池的示例性示意图。参考图1A和1B，(分别)示出了用于测试的在多孔隔膜上与金属电极接触的SWNT膜和池的实例的顶视图和侧视图。2010年4月22日提交的PCT申请No.PCT/US2010/031995(其通过引用整体并入本文)中描述了所述池。在图1A和1B的实例中，SWNT膜101布置在下面的疏液多孔隔膜103上。接触电极102与一部分SWNT膜边缘交叠。包括容纳电解质的电解质体积(或室)105的池体104可由例如固体特氟龙或其他合适的材料制造。电解质体积105具有延伸通过池侧壁的开口106。密封件如固定的O形环107围绕池体104中的侧壁开口106。当支撑SWNT膜101的隔膜103被气流盖108向上按压紧贴O形环107时，紧贴SWNT膜101形成密封。气流盖108包括与通向气体室112的第一通孔(或通道)111对齐的气体入口配件110。第二通孔(或通道)113通向气流盖108的气体出口配件114。气流盖108可由普列克斯玻璃(Plexiglass)或其他合适的材料制造，并且可以通过紧固件(例如，通过气流盖108中的开口109的4个螺丝(未示出))固定至池体104。如图1所示，另一个电极117设置在电解质体积105的相反侧上，并且通过来自盖118的压力紧贴O形环116密封。电解质体积(或室)105包括电解质气体吹扫管(和配件)120，其从电解质体积105延伸通过顶盖，如图1B所示，以在测量之前用惰性气体吹扫池。对于三端的计时安培测量，对电极121(例如，玻璃碳电极或铂标记电极)和参比电极122(例如，Ag/AgCl电极)包括在电解质体积105中。在测试和使用中，隔膜103的SWNT膜101侧跨过池体104中的侧壁开口106设置，并且使用柔性O形环围绕开口106的外围形成无泄漏的密封。在测试期间，为了避免与SWNT膜101接触的金属电极102的电化学溶解，将金属布置在密封件107的边界之外远离电解质。在操作中，用电解质填充池，所述电解质湿透SWNT膜101直至隔膜表面。然而，由于隔膜103的疏液性，所以电解质不渗透到其开放的孔结构中。将隔膜103的相反侧暴露于气体室112中包含CO2的气相介质。CO2通过扩散渗透通过隔膜103的孔，处于包含气相或蒸气相二氧化碳、(固体)SWNT膜、和液体电解质的三相界面处。在三相界面处，CO2溶解到电解质的表面层中，润湿SWNT，并且在与SWNT接触时被电化学还原。表1示出了在图1A和1B的池运行期间可存在于SWNT膜101电极处的多种反应路径。表1还示出了对于反应路径，所涉及的电子数、产物、和热力学电位(参照标准氢电极(NHE))。表1接下来参照图2，示出了在具有0.1M六氟磷酸四丁基铵(TBAPF6)和2M水(H2O)的二甲基甲酰胺(DMF)中对SWNT膜工作电极(PTFE隔膜103上的1.5μm厚的SWNT膜101)进行三端计时安培法测量的结果的实例。在具有2M水的DMF中以0.1M四氟硼酸四丁基铵(TEABF4)也获得了类似的结果。在测量之前用氩气(Ar)吹扫电解质1小时以除去溶解氧。使电解质保持在氩气覆盖层下，同时如图2的图中所示，使多孔隔膜103的背侧经由气体室112暴露于Ar203或CO2206。在这样的气体暴露时，将SWNT膜工作电极调节至相对于NHE为-0.79V。可以看出，在暴露于CO2时紧接着，在相对于NHE为-0.79V(相对于产生CO的热力学电位仅为0.10V的过电位)处获得了明显的还原电流。使用此处所使用的电解质以允许与铁5,10,15,20-四(2,6-二羟基苯基)-卟啉(FeTDHPP)催化剂进行直接比较，所述催化剂在非贵金属类催化剂中显示出最高的CO2还原活性。FeTDHPP催化剂在相对于NHE为-1.16V的电位(相对于产生CO的热力学电位为-0.47V的过电位)处显示出0.31mA/cm2的CO2还原电流，而SWNT膜电极在相对于NHE为-0.79V(0.1V的过电位)处显示出0.42mA/cm2的CO2还原电流。如表1所示，可能的产物包括HCOOH、CO、CH3OH、CH4、C2H4，其全部可能是有用的。反应的低过电位是显著的。在图2的图203中还注意到在CO2暴露206期间反应的稳定性。图3示出了在具有0.1MTBABF4和2MH2O的DMF中SWNT膜(例如，PTFE隔膜103上的1.5μm厚的SWNT膜101)电极的循环伏安图(CV)的实例。在每次测量之前，通过以Ar或CO2吹扫而使电解质被各自的气体饱和。曲线303和306分别是在Ar和CO2饱和的电解质中的CV(扫描速度10mV/s)。在没有CO2的情况下(即，当Ar吹扫时)，电流可能对应于来自DMF中的水的氢还原(作为析H的前体)。在CO2的存在下，其还原在稍低于0.4V(相对于NHE)处开始，显示出相对于产生甲烷的热力学电位的小于50mV的过电位。还对被转移至玻璃碳盘电极上的SWNT膜进行了旋转圆盘电极(RRDE)测量。为了将纳米管转移至盘电极上，使用过滤法在PTFE隔膜(0.2μm的孔)上制造SWNT膜(300nm)。将具有PTFE隔膜的SWNT膜(5mm直径)放置在玻璃碳盘电极(5mm直径)之上，纳米管面向盘。将一滴甲醇置于PTFE隔膜的背侧上以润湿PTFE，从而随着甲醇挥发使膜从SWNT膜电极脱层并促进纳米管与玻璃碳电极之间的紧密接触。在盘被完全干燥后，缓慢地移除PTFE隔膜，将SWNT膜留在玻璃碳盘上。然后将包括SWNT膜的玻璃碳电极安装到RRDE装置上(使用由PineInstrument制造的装置)。在具有0.1MTBABF4和2MH2O的DMF中进行CO2还原测量。用Ar吹扫电解质1小时以移除溶解的氧和其他气体，继而用纯CO2再吹扫1小时以使电解质饱和。在电解质上具有CO2覆盖层的情况下进行测量。在玻璃电化学池中的Ar和CO2饱和的电解质中获得的CV非常类似于特氟龙池中获得的曲线。图4示出了SWNT膜电极在不同旋转速度下的线性扫描伏安法(LSV)(扫描速度为10mV/s)的实例——曲线403：800rpm、曲线406：1000rpm、曲线409：1200rpm、曲线412：1400rpm以及曲线415：1600rpm。电流随着旋转速度而增加，表明还原电流可能受扩散限制。这表明SWNT膜的阴极电流可归因于电解质中的溶解CO2的还原。于2011年12月16日提交的PCT申请No.PCT/US2011/065569(其通过引用整体并入本文)中描述的活化过程可以增强在活化SWNT上的CO2还原。使用真空过滤法在PTFE隔膜103上制造SWNT膜101(约1.5μm厚)工作电极。使用结合至碳纸的较厚SWNT膜以电连通至SWNT工作电极。SWNT的活化包括使SWNT膜101与酸溶液接触一段充足的时间，在整个暴露过程中诱导若干次阴极循环。使用玻璃碳作为对电极和Ag/AgCl参比电极在电化学池中的1M硝酸中活化SWNT工作电极。在SWNT膜101的电化学活化之后，用大量的水洗涤电化学池以移除任何残留的酸，并且在两次整夜的水浴(每次12小时)和随后的8次水浴(每次2小时)中洗涤SWNT膜101。最后，SWNT膜101以DMF电解质(0.1M的TBABF4和2M的H2O)冲洗，然后浸在该电解质中2小时，之后更换电解质用于测量。随后用Ar吹扫电解质1小时以移除溶解的O2和其他气体，继而以纯CO2使其饱和。在测量期间CO2覆盖层保持在电解质上。使用玻璃碳对电极在活化SWNT膜101电极上记录线性扫描伏安图(10mV/s的扫描速度)。图5示出了在电化学活化之前(曲线503)和之后(曲线506)SWNT膜上的CO2还原电流。可以看到，活化SWNT膜101显示出更高的CO2还原电流以及向阳极移动的起始电位，意味着SWNT膜在活化后对CO2还原具有更高的活性。被设计为催化CO2电还原的装置的工作实施方案可包括以下特征：1)工作电极，由SWNT或其他分层的sp2键合碳(例如，石墨碳致密体)材料组成；2)对电极(例如，Pt、Pd、Ni、不锈钢、玻璃碳、氧化物半导体、或其他导体)；3)与两个电极电连通的液体电解质或固体电解质隔膜；4)隔板，其允许液体电解质离子穿过其传输，但是使工作电极与对电极(即，占据被该隔板有效分开的隔室的电极)之间的反应产物交换最小化；和/或5)收集CO2电还原反应的反应产物的设备。在一些实施方案中，电极被制成多孔的，并且迫使经CO2饱和的电解质通过CO2还原电极以使电极最大化地暴露于待还原的CO2。可能的电解质体系包括：与电解质盐混合的非水性溶剂如甲醇、乙腈、二甲亚砜、四氢呋喃、及其与水的混合物，以及其中CO2饱和浓度超过在纯水中可得的饱和浓度的另一些非水性溶剂，所述电解质盐可包括(但不限于)：具有六氟磷酸根、四氟硼酸根、或高氯酸根阴离子中的一种或更多种的锂、钠、或钾、四烷基铵阳离子。或者，电解质可由与水混溶的离子液体组成，例如(但不限于)：具有前述阴离子的1,3-二烷基咪唑阳离子、具有前述阴离子的1,3-二烷基吡咯烷阳离子。还可以将不同的电解质(包括酸或碱)混合成这些体系。在两个分开的隔室中可使用不同的电解质。应该强调的是，本公开内容的上述实施方案仅仅是为了清楚理解本公开内容的原理而提出的实施方式的可能实例。在基本上不脱离本公开内容的精神和原理的情况下，可以对上述实施方案做出许多变化和修改。本文中所有这样的修改和变化旨在包括在本公开内容的范围内并且由所附权利要求保护。应该注意的是在本文中，比率、浓度、量和其他数值数据可以用范围格式表示。应该理解的是，使用这样的范围格式是为了方便和简洁，并因此应以灵活方式解释成不仅包括作为范围极限而明确列举的数值，还包括在该范围内包括的所有单个数值或者子范围，如同明确列举了每个数值和子范围。为了举例说明，“约0.1％至约5％”的浓度范围应该理解为不仅包括明确列举的约0.1重量％至约5重量％的浓度，还包括在所述范围内的单个浓度(例如，1％、2％、3％和4％)以及子范围(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。术语“约”可以包括根据数值的有效数字的传统舍入。另外，短语“约‘x’至‘y’”包括“约‘x’至约‘y’”。当前第1页1 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