CN108854898A - 一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法 - Google Patents

一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法，光催化反应器包括透明的柱状绝缘壳体，水平布置于柱状绝缘壳体内的石墨烯/硅复合膜，以及安装在所述柱状绝缘壳体顶面和底面上的电极板，两个电极板分别连接电源的正极和负极；所述柱状绝缘壳体的侧壁开有注气孔，所述石墨烯/硅复合膜包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联，石墨烯/硅复合膜与上下两个电极板平行，且硅纳米层位于低电势一侧；在光照射下，石墨烯硅界面层会产生光生载流子；在外电场作用下，形成电子界面和空穴界面。电子层和空穴层持续的作用下，催化二氧化碳和水形成甲烷、一氧化碳以及氧气。

Description

一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法。
背景技术
2010年，英国曼彻斯特大学的两位教授Andre GeiM和Konstantin Novoselov因为首次成功分离出稳定的石墨烯获得诺贝尔物理学奖，掀起了全世界对石墨烯研究的热潮。石墨烯有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达2×105cM2/Vs)，突出的导热性能(5000W/(MK)，超常的比表面积(2630M2/g)，其杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)。石墨烯优异的导电导热性能完全超过金属，同时石墨烯具有耐高温耐腐蚀的优点，而其良好的机械性能和较低的密度更让其具备了在电热材料领域取代金属的潜力。
宏观组装氧化石墨烯或者石墨烯纳米片的石墨烯膜是纳米级石墨烯的主要应用形式，常用的制备方法是抽滤法、刮膜法、旋涂法、喷涂法和浸涂法等。通过进一步的高温处理，能够修补石墨烯的缺陷，能够有效的提高石墨烯膜的导电性和热导性，可以广泛应用于电池材料、导热材料、导电材料等领域。
目前，光催化还原二氧化碳和水的催化剂主要是二氧化钛等半导体，但是其带隙大，只能吸收紫外光，对光的利用效率极低，催化效率也不高。还未有石墨烯催化这类反应的报导。主要原因有一下几点：
其一，石墨烯吸光率低，光催化效率低；
其二，石墨烯不能大面积独立自支撑存在；
其三，石墨烯绝对力学较差，不能耐受金属喷涂。
其四，石墨烯为零带隙结构，且层数只有一层电子孔穴耦合作用较大。
为此，我们设计了高强度独立自支撑的膜，此薄膜具有层间交联结构，有一定的带隙，可以增加电子孔穴耦合时间；薄膜有一定厚度，极大地增加了光吸收率；薄膜有层间交联结构，强度很高。为此，可以在外电场作用下实现电子和空穴层的分离，为光催化提供条件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光催化反应器和催化还原二氧化碳的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种光催化反应器，包括透明的柱状绝缘壳体，水平布置于柱状绝缘壳体内的石墨烯/硅复合膜，以及安装在所述柱状绝缘壳体顶面和底面上的电极板，两个电极板分别连接电源的正极和负极；所述柱状绝缘壳体的侧壁开有注气孔，注气孔通过一绝缘橡胶塞密封。所述石墨烯/硅复合膜包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联，所述石墨烯膜的厚度为10-100nm，缺陷密度ID/IG≤0.01。石墨烯/硅复合膜与上下两个电极板平行，且硅纳米层位于低电势一侧。
进一步地，所述石墨烯/硅复合膜通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为0.5-10ug/mL氧化石墨烯水溶液，抽滤成膜。
(2)将贴附于抽滤基底上的氧化石墨烯膜置于密闭容器中，80-100度HI高温从底部往上熏蒸0.1-1h。
(3)将融化的固体转移剂均匀涂敷在还原氧化石墨烯膜表面，并于室温下冷却，直至薄膜和基底分离。
(4)对步骤3处理后的还原氧化石墨烯膜进行加热处理，使得固体转移剂升华或者挥发；
(5)将还原氧化石墨烯膜以1℃/min升温300℃(缓慢加热，增加石墨烯膜表面褶皱扩展单位空间内石墨烯膜的面积)；然后10℃/min升温置于2000℃，保温6-12小时，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构。
(6)采用磁控溅射的方式在步骤5处理后的石墨烯膜表面喷涂一层金属纳米粒子。所述金属纳米粒子选自钛、钨、铁、镁、钼。溅射的金属纳米粒子的摩尔量不大于石墨烯膜中碳原子摩尔量的30％。然后在800-1200℃下将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜进行氯化处理，金属纳米粒子以氯化物形式逸散。
(7)将氯化后的石墨烯膜在2000℃高温处理，得到层间交联的石墨烯膜。
(8)将层间交联的石墨烯膜表面喷涂一层厚度为5-40nm的硅纳米粒子。
进一步地，所述的固体转移剂，选自如下物质，例如石蜡、萘、三氧化二砷、樟脑、硫、降冰片烯、松香等可在某种条件下升华或者挥发的不溶于水的小分子固态物质。
进一步地，所述的固体转移剂的升华温度要控制在320度以下。
进一步地，氯化处理是指：将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜置于氯气含量为0.5-10％的环境中进行加热处理，时间为0.1-4h。
进一步地，步骤7中，2000度高温过程升温过程如下：1500摄氏度以下，5-20摄氏度每分钟；1500摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
进一步地，所述柱状绝缘壳体内具有水平的网格状支架，网格状支架的边缘固定于柱状绝缘壳体的内侧壁，石墨烯/硅复合膜铺设于所述网格状支架上。
进一步地，所述石墨烯/硅复合膜的边缘黏贴于柱状绝缘壳体的内侧壁，且石墨烯/硅复合膜具有若干孔洞。
如上所述的光催化反应器催化还原二氧化碳的方法，该方法为：通过注气孔5向反应器中注入水蒸气和二氧化碳，然后密封；将两个电极板接通电源的正极和负极，同时对石墨烯面进行光照。上下两个电极板使得电子和空穴分离，分离后的电子和空穴分别位于复合膜的两个表面上，其中，喷涂有硅纳米粒子的一面集结电子，构成电子层，另一面集结空穴，形成空穴层；电子层和空穴层之间形成电势差，还原二氧化碳和水，形成甲烷、一氧化碳以及氧气。
本发明的有益效果在于：本发明基于具有光生电子效应的石墨烯/硅复合膜，设计出一种催化反应器，可用于二氧化碳的催化还原。其中石墨烯/硅复合膜由石墨烯膜和硅纳米膜组成，在光照条件下，石墨烯吸收光，形成电子空穴对，根据浓度逸散原理，电子空穴对从石墨烯层向硅层移动，并在界面处发生电子-空穴分离，这种结构有利于扩展光的吸收波段(紫外到远红外0-10um)以及吸收率，进而提高光利用效率；所述石墨烯纳米膜层间交联，有利于提高石墨烯膜的强度，进而提升石墨烯膜的可操作性，还可以提高电子孔穴对复合时间，提高内量子效率，进而提高光利用率；所述石墨烯膜的厚度为10-100nm，有利于电子孔穴对向石墨烯/硅硝基节的有效扩散，提高内量子效率，进而提高光利用率；缺陷密度ID/IG≤0.01，有利于光的宽频饱和吸收。
附图说明
图1为石墨烯/硅复合膜光还原二氧化碳的装置示意图；
图中，1为柱状绝缘壳体，2为石墨烯/硅复合膜，其中阴影部分为硅纳米层，3为正极板，4为负极板，5为注气孔。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种光催化反应器，包括由亚克力制成的柱状绝缘壳体1，水平布置于柱状绝缘壳体1内的网格状支架，石墨烯/硅复合膜2铺设于网格状支架上，柱状绝缘壳体1底面安装有正极板3，顶面上固定负极板4，两个电极板分别连接电源的正极和负极；柱状绝缘壳体1的侧壁开有注气孔5，注气孔5通过一绝缘橡胶塞密封。
所述石墨烯/硅复合膜2包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联。石墨烯/硅复合膜2与上下两个电极板平行，硅纳米层位于低电势一侧，且硅纳米层朝上。石墨烯/硅复合膜2的制备方法如下：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为0.5ug/mL氧化石墨烯水溶液，以AAO膜为基底抽滤成膜。
(2)将贴附于AAO膜的氧化石墨烯膜置于密闭容器中，80度HI高温从底部往上熏蒸1h。
(3)将融化的固体转移剂石蜡均匀涂敷在还原氧化石墨烯膜表面，并于室温下冷却，直至薄膜和AAO膜基底分离。
(4)对步骤3处理后的还原氧化石墨烯膜在200℃下加热处理，使得固体转移剂挥发；
(5)将还原氧化石墨烯膜以1℃/min升温300℃(缓慢加热，增加石墨烯膜表面褶皱扩展单位空间内石墨烯膜的面积)；然后10℃/min升温置于2000℃，保温6小时，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构。
(6)采用磁控溅射的方式在步骤5处理后的石墨烯膜表面喷涂一层钛纳米粒子，通过控制溅射参数，最终溅射的金属纳米粒子的摩尔量为石墨烯膜中碳原子摩尔量的19.2％。然后在800℃下将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜进行氯化处理，钛纳米粒子以氯化物形式逸散。具体为：将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜置于氯气含量为0.5％的环境中进行加热处理，时间为0.1h。
(7)将氯化后的石墨烯膜置于高温炉中，5摄氏度每分钟升温至1500摄氏度；2摄氏度每分钟升温至2000摄氏度，得到层间交联的石墨烯膜。
(8)将层间交联的石墨烯膜表面喷涂一层厚度为5nm的硅纳米粒子。
本发明首先通过缓慢升温(1℃/min)处理，增加石墨烯膜表面褶皱，扩展单位空间内石墨烯膜的面积；然后以10℃/min升温置2000℃，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构。进一步通过在超薄石墨烯膜表面溅射金属粒子，高温下，金属粒子与石墨烯反应，形成金属碳化物；进一步地，金属碳化物在氯气的作用下，形成金属氯化物，同时，碳结构向金刚石结构转变，大大提升了膜的强度和热稳定性；2000度高温处理，使得石墨烯膜结构得到极大程度的恢复，但是不会影响层间交联结构以及不会形成AB堆积结构，为石墨烯高光吸收高导电提供了基础。经测试，硅纳米颗粒负载在石墨烯膜表面，形成硅纳米膜；所述石墨烯膜的厚度为11nm，缺陷密度ID/IG≤0.01。经拉曼测试，该石墨烯膜具有众多交联结构的石墨烯膜具有更强的sp3碳键接峰(1360cm-1)，通过ID/IG面积比测得，其交联度(所述交联度为sp3碳的含量-质量百分数)为1.2％；有交联结构的石墨烯膜电子衍射条纹层间距比正常石墨烯膜电子衍射层间距要小。
通过注气孔4向反应器中注入水蒸气和二氧化碳，直到系统压力达到70kPa，然后密封；将两个电极板接通电源的正极和负极，分别以紫外光、红外光作为光源对反应体系进行照射石墨烯面。上下两个电极板使得电子和空穴分离，分离后的电子和空穴分别位于复合膜的两个表面上，其中，喷涂有硅纳米粒子的一面集结电子，构成电子层，另一面集结空穴，形成空穴层；电子层和空穴层之间形成电势差，还原二氧化碳和水，形成甲烷、一氧化碳以及氧气。每隔10分钟从反应器中各取0.5mL的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014)的有机、无机分析通道中分析甲烷、一氧化碳；另取0.5ml的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014C)检测氢气、氧气的产出。
在紫外光照反应条件下，1小时后测得有大量CO产出。在红外光照反应条件下，3小时后测得有大量CO产出。
实施例2
一种光催化反应器，包括由亚克力制成的柱状绝缘壳体1，水平布置于柱状绝缘壳体1内的网格状支架，石墨烯/硅复合膜2铺设于网格状支架上，柱状绝缘壳体1顶面安装有正极板3，底面上固定负极板4，两个电极板分别连接电源的正极和负极；柱状绝缘壳体1的侧壁开有注气孔5，注气孔5通过一绝缘橡胶塞密封。
所述石墨烯/硅复合膜2包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联。石墨烯/硅复合膜2与上下两个电极板平行，硅纳米层位于低电势一侧，且硅纳米层朝下。石墨烯/硅复合膜2的制备方法如下：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为10ug/mL氧化石墨烯水溶液，以AAO膜为基底抽滤成膜。
(2)将贴附于AAO膜的氧化石墨烯膜置于密闭容器中，100度HI高温从底部往上熏蒸0.1h。
(3)将融化的固体转移剂樟脑均匀涂敷在还原氧化石墨烯膜表面，并于室温下冷却，直至薄膜和AAO膜基底分离。
(4)对步骤3处理后的还原氧化石墨烯膜在80摄氏度下进行加热处理，使得固体转移剂升华或者挥发；
(5)将还原氧化石墨烯膜以1℃/min升温300℃(缓慢加热，增加石墨烯膜表面褶皱扩展单位空间内石墨烯膜的面积)；然后10℃/min升温置于2000℃，保温8小时，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构。
(6)采用磁控溅射的方式在步骤5处理后的石墨烯膜表面喷涂一层铁纳米粒子，通过控制溅射参数，最终溅射的金属纳米粒子的摩尔量为石墨烯膜中碳原子摩尔量的29.6％。然后在1200℃下将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜进行氯化处理，铁纳米粒子以氯化物形式逸散。具体为：将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜置于氯气含量为10％的环境中进行加热处理，时间为4h。
(7)将氯化后的石墨烯膜置于高温炉中，20摄氏度每分钟升温至1500摄氏度；5摄氏度每分钟升温至2000摄氏度，保温1h，得到层间交联的石墨烯膜。
(8)将层间交联的石墨烯膜表面喷涂一层厚度为40nm的硅纳米粒子。
经测试，硅纳米颗粒负载在石墨烯膜表面，形成硅纳米膜，所述石墨烯膜的厚度为98nm，缺陷密度ID/IG≤0.01。经拉曼测试，该石墨烯膜具有众多交联结构的石墨烯膜具有更强的sp3碳键接峰(1360cm-1)，通过ID/IG面积比测得，其交联度(所述交联度为sp3碳的含量-质量百分数)为3.1％；有交联结构的石墨烯膜电子衍射条纹层间距比正常石墨烯膜电子衍射层间距要小。
通过注气孔4向反应器中注入水蒸气和二氧化碳，直到系统压力达到70kPa，然后密封；将两个电极板接通电源的正极和负极，分别以紫外光、红外光作为光源对反应体系进行照射石墨烯面。上下两个电极板使得电子和空穴分离，分离后的电子和空穴分别位于复合膜的两个表面上，其中，喷涂有硅纳米粒子的一面集结电子，构成电子层，另一面集结空穴，形成空穴层；电子层和空穴层之间形成电势差，还原二氧化碳和水，形成甲烷、一氧化碳以及氧气。每隔10分钟从反应器中各取0.5mL的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014)的有机、无机分析通道中分析甲烷、一氧化碳；另取0.5ml的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014C)检测氢气、氧气的产出。
在紫外光照反应条件下，0.5小时后测得有大量CO产出。在红外光照反应条件下，2小时后测得有大量CO产出。
实施例3
一种光催化反应器，包括由亚克力制成的柱状绝缘壳体1，水平布置于柱状绝缘壳体1内的网格状支架，石墨烯/硅复合膜2铺设于网格状支架上，柱状绝缘壳体1顶面安装有正极板3，底面上固定负极板4，两个电极板分别连接电源的正极和负极；柱状绝缘壳体1的侧壁开有注气孔5，注气孔5通过一绝缘橡胶塞密封。
所述石墨烯/硅复合膜2包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联。石墨烯/硅复合膜2与上下两个电极板平行，硅纳米层位于低电势一侧，且硅纳米层朝下。石墨烯/硅复合膜2的制备方法如下：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5ug/mL氧化石墨烯水溶液，以AAO膜为基底抽滤成膜。
(2)将贴附于AAO膜的氧化石墨烯膜置于密闭容器中，100度HI高温从底部往上熏蒸1h。
(3)将融化的固体转移剂石蜡均匀涂敷在还原氧化石墨烯膜表面，并于室温下冷却，直至薄膜和AAO膜基底分离。
(4)对步骤3处理后的还原氧化石墨烯膜在200℃下加热处理，使得固体转移剂挥发；
(5)将还原氧化石墨烯膜以1℃/min升温300℃(缓慢加热，增加石墨烯膜表面褶皱扩展单位空间内石墨烯膜的面积)；然后10℃/min升温置于2000℃，保温12小时，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构。
(6)采用磁控溅射的方式在步骤5处理后的石墨烯膜表面喷涂一层钼纳米粒子，通过控制溅射参数，最终溅射的金属纳米粒子的摩尔量为石墨烯膜中碳原子摩尔量的14.9％。然后在1000℃下将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜进行氯化处理，钼纳米粒子以氯化物形式逸散。具体为：将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜置于氯气含量为5％的环境中进行加热处理，时间为1h。
(7)将氯化后的石墨烯膜置于高温炉中，10摄氏度每分钟升温至1500摄氏度；2摄氏度每分钟升温至2000摄氏度，得到层间交联的石墨烯膜。
(8)将层间交联的石墨烯膜表面喷涂一层厚度为10nm的硅纳米粒子。
经测试，硅纳米颗粒负载在石墨烯膜表面，形成硅纳米膜；所述石墨烯膜的厚度为29nm，缺陷密度ID/IG≤0.01。经拉曼测试，该石墨烯膜具有众多交联结构的石墨烯膜具有更强的sp3碳键接峰(1360cm-1)，通过ID/IG面积比测得，其交联度(所述交联度为sp3碳的含量-质量百分数)为4.8％；有交联结构的石墨烯膜电子衍射条纹层间距比正常石墨烯膜电子衍射层间距要小。
通过注气孔4向反应器中注入水蒸气和二氧化碳，直到系统压力达到70kPa，然后密封；将两个电极板接通电源的正极和负极，分别以紫外光、红外光作为光源对反应体系进行照射石墨烯面。上下两个电极板使得电子和空穴分离，分离后的电子和空穴分别位于复合膜的两个表面上，其中，喷涂有硅纳米粒子的一面集结电子，构成电子层，另一面集结空穴，形成空穴层；电子层和空穴层之间形成电势差，还原二氧化碳和水，形成甲烷、一氧化碳以及氧气。每隔10分钟从反应器中各取0.5mL的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014)的有机、无机分析通道中分析甲烷、一氧化碳；另取0.5ml的气体注入气相色谱仪(岛津GC-2014C)检测氢气、氧气的产出。
在紫外光照反应条件下，50分钟后测得有大量CO产出。在红外光照反应条件下，160分钟后测得有大量CO产出。

Claims (9)

1.一种光催化反应器，其特征在于，包括透明的柱状绝缘壳体(1)，水平布置于柱状绝缘壳体(1)内的石墨烯/硅复合膜(2)，以及安装在所述柱状绝缘壳体(1)顶面和底面上的电极板，两个电极板分别连接电源的正极和负极；所述柱状绝缘壳体(1)的侧壁开有注气孔(5)，注气孔(5)通过一绝缘橡胶塞密封；所述石墨烯/硅复合膜(2)包括石墨烯膜和位于石墨烯膜正面的硅纳米膜，硅纳米膜由硅纳米颗粒组成，所述石墨烯膜层间交联，所述石墨烯膜的厚度为10-100nm，缺陷密度ID/IG≤0.01；石墨烯/硅复合膜(2)与上下两个电极板平行，且硅纳米层位于低电势一侧。
2.如权利要求1所述的光催化反应器，其特征在于，所述石墨烯/硅复合膜(2)通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为0.5-10ug/mL氧化石墨烯水溶液，抽滤成膜；
(2)将贴附于抽滤基底上的氧化石墨烯膜置于密闭容器中，80-100度HI高温从底部往上熏蒸0.1-1h；
(3)将融化的固体转移剂均匀涂敷在还原氧化石墨烯膜表面，并于室温下冷却，直至薄膜和基底分离；
(4)对步骤3处理后的还原氧化石墨烯膜进行加热处理，使得固体转移剂升华或者挥发；
(5)将还原氧化石墨烯膜以1℃/min升温300℃(缓慢加热，增加石墨烯膜表面褶皱扩展单位空间内石墨烯膜的面积)；然后10℃/min升温置于2000℃，保温6-12小时，以去除石墨烯内部绝大部分原子缺陷，但不恢复石墨烯内部堆叠结构；
(6)采用磁控溅射的方式在步骤5处理后的石墨烯膜表面喷涂一层金属纳米粒子；所述金属纳米粒子选自钛、钨、铁、镁、钼，溅射的金属纳米粒子的摩尔量不大于石墨烯膜中碳原子摩尔量的30％，然后在800-1200℃下将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜进行氯化处理，金属纳米粒子以氯化物形式逸散；
(7)将氯化后的石墨烯膜在2000℃高温处理，得到层间交联的石墨烯膜；
(8)将层间交联的石墨烯膜表面喷涂一层厚度为5-40nm的硅纳米粒子。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述的固体转移剂，选自如下物质，例如石蜡、萘、三氧化二砷、樟脑、硫、降冰片烯、松香等可在某种条件下升华或者挥发的不溶于水的小分子固态物质。
4.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述的固体转移剂的升华温度要控制在320度以下。
5.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述氯化处理是指：将溅射有金属纳米粒子的石墨烯膜置于氯气含量为0.5-10％的环境中进行加热处理，时间为0.1-4h。
6.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，步骤7中，2000度高温过程升温过程如下：1500摄氏度以下，5-20摄氏度每分钟；1500摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述柱状绝缘壳体1内具有水平的网格状支架，网格状支架的边缘固定于柱状绝缘壳体(1)的内侧壁，石墨烯/硅复合膜(2)铺设于所述网格状支架上。
8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述石墨烯/硅复合膜2的边缘黏贴于柱状绝缘壳体1的内侧壁，且石墨烯/硅复合膜2具有若干孔洞。
9.如权利要求1所述的光催化反应器催化还原二氧化碳的方法，其特征在于，该方法为：通过注气孔(5)向反应器中注入水蒸气和二氧化碳，然后密封；将两个电极板接通电源的正极和负极，同时对石墨烯面进行光照。上下两个电极板使得电子和空穴分离，分离后的电子和空穴分别位于复合膜的两个表面上，其中，喷涂有硅纳米粒子的一面集结电子，构成电子层，另一面集结空穴，形成空穴层；电子层和空穴层之间形成电势差，还原二氧化碳和水，形成甲烷、一氧化碳以及氧气。
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