阅读说明：本技术 生产合成金刚石的方法 (Method for producing synthetic diamond ) 是由 戴尔·文斯 于 2016-02-05 设计创作，主要内容包括：公开了一种生产合成金刚石的方法。该方法包括a)从大气中捕集二氧化碳；b)进行水的电解以提供氢气；c)使从步骤a)获得的所述二氧化碳与从步骤b)获得的所述氢气反应以生成甲烷；和d)利用从步骤b)获得的所述氢气和从步骤c)获得的所述甲烷,通过化学气相沉积(CVD)来生产合成金刚石。(A method of producing synthetic diamond is disclosed. The method comprises a) capturing carbon dioxide from the atmosphere; b) performing electrolysis of water to provide hydrogen; c) reacting the carbon dioxide obtained from step a) with the hydrogen obtained from step b) to form methane; and d) producing synthetic diamond by Chemical Vapour Deposition (CVD) using the hydrogen gas obtained from step b) and the methane obtained from step c).)

生产合成金刚石的方法

本申请是申请日为2016年02月05日、申请号为201680020092.7、发明名称为“生产合成金刚石的方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

方面和实施方式涉及生产合成金刚石的方法。特别地，某些实施方式涉及利用来自直接空气捕集(DAC)的二氧化碳和可再生能源来生产合成金刚石的方法。

背景技术

大气中的二氧化碳导致很大一部分“增强的温室效应”。大气中的二氧化碳浓度至少部分地由于化石燃料的燃烧而增加。大气中增加的二氧化碳水平是气候变化的重要因素。

开采金刚石的工艺通常需要燃烧大量的化石燃料，因此大量的二氧化碳排放到大气中。特别地，化石燃料动力的车辆用于将在矿中发现有金刚石的岩石运送到地面，然后运送到工厂进行加工。与岩石的总重量或总体积相比，在岩石中发现重量或体积很小的金刚石，并且出产自岩石的金刚石必须进一步切割和抛光以生产宝石。因此，与在工厂加工后生产的成品宝石相比，车辆必须将大量重量和体积的岩石运送到工厂。由于岩石必须被压碎以释放金刚石，所以岩石在工厂的加工通常也是能源密集型的。因此，开采、运输和加工金刚石时化石燃料的燃烧释放很大量的二氧化碳到大气中。例如，加拿大的Ekati矿每克拉释放65kg(143lb)的二氧化碳。(BHP Billiton 2008：Ekati矿排放量为195,179公吨的二氧化碳当量，产生3,000,000克拉的粗金刚石)。

至少某些实施方式的目的是解决这些问题中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种生产合成金刚石的方法，所述方法包括：

(a)从大气中捕集二氧化碳；

(b)进行水的电解以提供氢气；

(c)使从步骤(a)获得的所述二氧化碳与从步骤b)获得的所述氢气反应以生成甲烷；和

(d)利用从步骤(b)获得的所述氢气和从步骤c)获得的所述甲烷以通过化学气相沉积来生产合成金刚石。

在某些方面中，生产合成金刚石的方法包括：

(a)从大气中捕集二氧化碳；

(b)进行水的电解以提供氢气；

(c-1)使从步骤(a)获得的二氧化碳与水发生电化学反应以生成甲烷；和

(d)利用从步骤(b)获得的氢气和从步骤(c-1)获得的甲烷以通过化学气相沉积(CVD)来生产合成金刚石。

[步骤(a)-从空气中捕集二氧化碳(CO₂)]

根据某些方面，步骤(a)可以包括使用纳米管气体分离器，捕集二氧化碳。

步骤(a)可以包括使用可再循环二氧化碳吸附剂或聚合物膜气体分离器，捕集二氧化碳。

步骤(a)可以包括使用胺洗涤剂捕集二氧化碳。各种胺适用于二氧化碳捕集。胺洗涤剂可以是单乙醇胺。

步骤(a)可以包括使用基于胺的吸附剂材料捕集二氧化碳。各种基于胺的吸附剂材料适用于二氧化碳捕集。捕集二氧化碳可以使用基于胺的吸附剂材料进行，可以在25℃或更低的温度下完成。使用基于胺的吸附剂材料捕集二氧化碳可以在低于25℃的温度下完成。

一旦使用吸附剂材料捕集了二氧化碳，通过向吸附剂施加热量，所捕集的二氧化碳可以从吸附剂材料中解吸。

步骤(a)可以包括使用可逆地结合二氧化碳的矿物或沸石捕集二氧化碳。矿物或沸石可以包括氧化钙、蛇纹石、或分子筛。

步骤(a)可以包括使用苛性碱溶液捕集二氧化碳。苛性碱溶液可以是氢氧化钙溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、或碱石灰。

步骤(a)可以包括使用活性炭或过氧化锂捕集二氧化碳。

步骤(a)可以包括捕集空气。所捕集的空气可以是环境空气。优选地，不从烟道气中捕集二氧化碳。

步骤(a)可包括干燥空气。可以使用除湿式干燥器来干燥空气。空气可以被干燥至低于-70℃的露点。空气可以被干燥至基本上-70℃的露点。步骤(a)可以包括冷却空气以液化空气中的二氧化碳。冷却空气以液化空气中的二氧化碳可包括压缩空气，然后使空气膨胀。可以重复压缩空气然后使空气膨胀的步骤。该步骤可重复三次。该步骤可重复四次。

以上解释的特征可以组合。例如，可以在低于25℃的温度下，使用含有胺的吸附剂材料捕集二氧化碳，然后通过向吸附剂材料施加热量来解吸所捕集的二氧化碳。

[步骤(b)-氢气的生成]

步骤(b)可以包括使用至少一种固体氧化物电解池(SOEC)进行水的电解。SOEC可以是固体氧化物燃料电池，其被设置成使用固体氧化物或陶瓷电解质来产生氧气和氢气。当至少一种SOEC用于步骤(b)中水的电解时，电解可以在350℃至1000℃的温度下进行。该电解可以在500℃和850℃之间的温度下进行。

步骤(b)可以包括使用至少一种聚合物电解质膜(PEM)电解池进行水的电解。PEM电解池可以被设置成使用固体聚合物电解质(SPE)来产生氢气。当至少一种PEM电解池用于步骤(b)中水的电解时，电解可以在低于150℃的温度下进行。该电解可以在100℃或更低的温度下进行。该电解可以在50℃和100℃之间的温度下进行。

步骤(b)可以包括使用至少一种碱性电解池(AEC)进行水的电解。碱性电解池(AEC)可以包括设置成在液体碱性电解质溶液中操作的两个电极。液体碱性电解质溶液可以包括氢氧化钾、氢氧化钠或碳酸钾。当至少一种AEC用于步骤(b)中水的电解时，电解可以在50℃和300℃之间的温度下进行。该电解可以在150℃和250℃之间的温度下进行。

水可以包括雨水、饮用水、或者在金刚石生产方法中从其它地方回收的水、以及这些的组合。步骤(b)可以包括将水过滤。步骤(b)可以包括对水进行反渗透。可以进行反渗透以基本上纯化水。步骤(b)可以包括将水蒸馏。步骤(b)可以包括将水去离子化。

在全球产生的大部分氢气来自甲烷的裂化。当甲烷来自天然气源时，这不是生成氢气的环保方式。水的电解是产生氢气的最环保方法，特别是当用于该工艺的能量是可再生能源时(如下文进一步讨论的)。

[步骤(c)-甲烷的生成]

本方法的益处是在步骤(c)中可以使用多种甲烷生成(甲烷化)方法。这些甲烷生成方法可以例如包括热化学工艺、生物工艺、以及这些工艺的组合。步骤(c)可以与用于由水和二氧化碳生成甲烷的电化学工艺结合使用，这在下面关于步骤(c-1)中讨论。

步骤(c)可以包括根据Sabatier反应使二氧化碳与氢气反应；换句话说，根据Sabatier工艺，这是一个热化学工艺。Sabatier工艺涉及氢气与二氧化碳的反应以生成甲烷和水，其由以下放热反应描述：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O+能量

步骤(c)的反应可以在100℃和800℃之间的温度下进行。反应可以在150℃和600℃之间的温度下进行。反应可以在250℃和450℃之间的温度下进行。反应可以在基本上250℃的温度下进行。

步骤(c)的反应可以在大气压下进行。步骤(c)的反应可以在高于大气压的压力下进行。步骤(c)的反应可以在0.7barg的压力下进行。

从Sabatier工艺产生的水的至少一部分可以被再循环或者以其他方式用于步骤(b)的电解工艺中。在某些情况下，从Sabatier工艺产生的水的至少一部分可以单独地或者与雨水或任何其它水源结合而用在电解工艺中。这样可以额外节省资源。

步骤(c)的反应可以在催化剂的存在下进行。催化剂可以是镍基催化剂、钌基催化剂、铼基催化剂、铑基催化剂、钴基催化剂等。催化剂可以包括镍基催化剂和钌基催化剂的混合物。根据各个方面，催化剂可以是负载的或非负载的。催化剂可以负载在包括氧化物的载体上。催化剂可以负载在包括TiO₂、SiO₂、MgO或Al₂O₃的载体上。

步骤(c)的反应可以是生物工艺。例如，步骤(c)可以使用产甲烷菌进行。产甲烷菌是在缺氧条件下产生作为代谢副产物的甲烷的微生物。在一些方面中，产甲烷菌是对它们在其中起作用的环境较不敏感的古生菌。当步骤(c)的反应使用产甲烷菌进行时，反应可以包括根据以下反应使二氧化碳与氢气反应：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O+能量

换句话说，该反应可以与Sabatier工艺基本上相同，但可以是自然反应。产甲烷菌可以是古生菌或其它原核生物。步骤(c)可以使用可想到的任何种类的产甲烷菌来进行。产甲烷菌产生作为其呼吸过程的一部分的甲烷，其中二氧化碳在通常是低温(～50℃)和低压(大气压或略高于大气压)的条件下转化成甲烷。步骤(c)可以包括纯化所生成的甲烷。

[步骤(c-1)-甲烷的生成]

如上所解释的，步骤(c)可以按照步骤(c-1)进行，其包括由步骤(a)中捕集的二氧化碳和水电化学形成甲烷。步骤(c-1)的优点是，两种输入材料(二氧化碳和水)都是丰富的自然资源。下面的电化学反应示出了反应物和当施加电流以进行这种反应时可以获得的一系列可能的产物：

CO₂+H₂O+电能→CH₄+H₂+CO+C₂H₄

步骤(c-1)的反应可以在0℃和100℃之间的温度下进行。该反应可以在10℃和70℃之间的温度下进行。反应可以在15℃和40℃之间的温度下进行。反应可以在基本上25℃的温度下进行。

步骤(c-1)的反应可以在大气压以上进行。反应可以在1atm至10atm的压力下进行。反应可以在低于大气压的压力下进行。反应可以在大气压下进行。

步骤(c-1)的反应可以通过提供直流电形式的电能来进行。直流电压可以是1.0V至5.0V。直流电压可以是1.5V至2.5V。直流电压可以是1.8V至2.2V。

步骤(c-1)的反应可以在气相中进行。通过反应器的气体流速可以为20sccm至50sccm。

步骤(c-1)的反应可以在催化剂的存在下进行。如果使用催化剂，则催化剂可以是金属催化剂。金属催化剂可以是镍基催化剂。金属催化剂，例如镍催化剂，可以负载在载体材料上。

水可以包括雨水、饮用水、或在金刚石生产方法中从其它地方再循环的水、以及这些的组合。

步骤(c)可以使用一种或多种热化学工艺和生物工艺的组合进行。例如，步骤(c)的一种或多种热化学工艺和生物工艺可以与步骤(c-1)的电化学工艺组合进行，以通过不同的反应生成甲烷。在以组合使用多于一种工艺的情况下，这些工艺可以例如连续地使用或并行地使用或以连续和并行混合的方式使用。

使用变压吸附技术可以纯化由步骤(c)或步骤(c-1)生成的甲烷。步骤(c)或步骤(c-1)可以包括使用分子筛去除氧气。步骤(c)或步骤(c-1)可以包括使用沸石去除二氧化碳、氮气和水中的至少一种。以与上述关于Sabatier工艺讨论的类似方式，根据至少一个方面，作为使用产甲烷菌的甲烷化工艺的结果所产生的水的至少一部分可以被再循环或者以其他方式用于步骤(b)的电解工艺中。

可以使用低温纯化甲烷。步骤(c)或步骤(c-1)可以包括使用膜去除氮气和CO₂。步骤(c)或步骤(c-1)可以包括使用除湿式干燥来去除水。

步骤(c)或步骤(c-1)可以包括使用胺气处理器去除硫化物杂质。

[步骤(d)使用化学气相沉积(CVD)生产金刚石]

化学气相沉积(CVD)允许合成金刚石的膜在大面积的基底上生长，并控制所生成的金刚石的性能。

步骤(d)的CVD可以在0.5kPa和100kPa之间的压力下进行。CVD步骤可以在1kPa和50kPa之间的压力下进行。CVD步骤可以在基本上40kPa的压力下进行。

步骤(d)的CVD可以在600℃和1200℃之间的温度下进行。CVD步骤可以在700℃和1000℃之间的温度下进行。CVD步骤可以在基本上950℃的温度下进行。步骤(d)中使用的氢气与甲烷的比例可以是基本上5:1。步骤(d)中使用的氢气与甲烷的比例可以为1:1至9:1、1:1至8:1或5:1至8:1。

步骤(d)的CVD可以在基底上进行。根据某些方面，基底可以包括金刚石、硅、钨、钼、碳化硅、氮化硅、石英玻璃或硬质合金。

步骤(d)的CVD可以使用微波等离子体CVD机进行。

[其他特征]

步骤(a)可以在步骤(b)之前进行。步骤(b)可以在步骤(a)之前或与步骤(a)基本上同时进行。

该方法可以包括附加的在步骤(d)之后的使合成金刚石退火的步骤。使合成金刚石退火的步骤可以在高压高温(HPHT)压机中进行。

在步骤(d)之后、和在其中合成金刚石被退火的实施方式中在使合成金刚石退火的步骤之后，该方法可以包括以下步骤：切割和/或抛光在步骤(d)中所生成的金刚石以生产宝石级金刚石。

该方法可以包括使从步骤(b)中水的电解中所产生的氧气与通过步骤(d)中的化学气相沉积产生的碳反应以生成二氧化碳的步骤。该方法可以包括使从上述步骤获得的二氧化碳与从步骤(b)获得的氢气反应以生成甲烷。该方法可以包括在步骤(c)之前将二氧化碳加入到从大气中捕集的二氧化碳中。

该方法可以包括将从步骤(c)的反应所产生的水与由该反应所产生的甲烷分离。水与甲烷的分离可以通过离心分离、冷凝或吸附来进行。该方法可以包括电解该水以提供氢气。

该方法可以包括使用来自至少一种可再生源的能量来进行这些步骤中的至少一个步骤。该方法可以包括使用来自至少一种可再生源的能量来进行电解。该方法可以包括使用来自至少一种可再生源的能量来进行这些步骤中的每一个步骤。如本文所使用的，术语“可再生源”当用于能源时通常是指利用可补充能源(例如来自水、风和太阳的能量)的一种或多种技术。例如，至少一种可再生源可以包括风能。至少一种可再生源可以包括太阳能。至少一种可再生源可以包括波浪能或潮汐能。

根据其中在步骤(d)中产生的金刚石被切割和/或抛光以生产宝石级的金刚石的实施方式、根据其中来自至少一种可再生源的能量被用于进行这些步骤中的每一个步骤的实施方式、并且根据其中步骤(b)中的水是雨水的实施方式，在生产宝石级金刚石时，释放的二氧化碳低至从采矿生产这样的金刚石的1/230。释放的二氧化碳是使用释放仅次于最少量的二氧化碳的方法生产宝石级金刚石的大约1/40。据估计，如果对金刚石的全球需求(2011年为1.24亿克拉)切换为使用这种方法生产金刚石，则二氧化碳排放量将每年减少近800万吨。

附图说明

现在将仅通过示例方式并且参照附图来描述

具体实施方式

，其中：

图1是生产合成金刚石的方法的实施方式的流程图；和

图2示意性地示出该方法使用的设备。

具体实施方式

概述

参考图1，现在将概述用于制造金刚石的方法的示例。

首先从大气中捕集二氧化碳2；即，从空气1中捕集二氧化碳2。为了捕集二氧化碳2，可以使用以下工艺。其中具有二氧化碳2的空气1被压缩3，然后干燥4。然后将二氧化碳2与空气1分离5(尽管将残留一些空气1)，分离的二氧化碳2和残留的空气1被压缩和膨胀以冷却6二氧化碳2。二氧化碳2和残留的空气1被压缩和膨胀7，使得二氧化碳2液化。残留的空气1被排空。

第二，水被电解以提供氢气11。在一个实施方式中，水是雨水8。为了从雨水8产生氢气11，使用以下工艺。雨水8被捕集、过滤、蒸馏和去离子化9。然后将所得到的经过滤和去离子化的雨水8电解10以产生氢气11和氧气12。

第三，从第一步骤获得的二氧化碳2与从第二步骤获得的氢气11反应以产生甲烷14(甲烷化13)。甲烷化13的工艺如下。根据通过下面的反应式描述的Sabatier反应使氢气11和二氧化碳2反应：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O+能量

产物是甲烷14和水8。如本申请的上下文指出，二氧化碳与氢气的反应形成甲烷也可以使用生物工艺进行，该生物工艺可以涉及被称为产甲烷菌的生物体。在另外的方面中，甲烷化可以通过使二氧化碳与水反应来生成甲烷而进行。参考图1，甲烷化13可以通过使二氧化碳2与水8反应而不是通过阶段10处理水8来产生氢气11而进行。

第四，使用从第二步骤获得的氢气11和从第三步骤获得的甲烷14来利用CVD 15生产合成金刚石16。

二氧化碳的直接空气捕集

继续参考图1，并且另外参考图2，现在将更详细地描述如上概述的捕集二氧化碳2的工艺。还将描述用于该工艺的设备的示例。

使用CVD生产合成金刚石16的步骤需要高纯度的二氧化碳2。在一个实施方式中，所需的纯度为99.9999％。二氧化碳在大气中的浓度为约400ppm。从空气1中捕集二氧化碳2的工艺因此需要增加二氧化碳2的浓度。其中具有二氧化碳2的空气1从柱Q-1被吸入到压缩机C-1中。空气1和二氧化碳2在压缩机C-1中被压缩3(图2所示)。在一个示例中，压缩机C-1是高纯度无油的空气压缩机。压缩机C-1将空气1和二氧化碳2的压力增加到约12barg的表压。

接着，将空气1和二氧化碳2干燥3。可以使用除湿式干燥器F-1。在该实施方式中，将空气1和二氧化碳2干燥3至-70℃的露点。

然后将二氧化碳2与空气1分离5(尽管将残留一些空气1)，例如使用纳米管气体分离器。在该实施方式中，纳米管气体分离器是纳米管13X沸石吸附汽提塔F-2。在该实施方式中，纳米管13X沸石吸附汽提塔F-2从至少80％的其它空气1组分中汽提出二氧化碳2。得到的气流处于环境压力下且富含二氧化碳2。

然后将空气1和二氧化碳2的气流通过一系列涡轮压缩机-膨胀机C-2、涡轮压缩机-膨胀机C-3、涡轮压缩机-膨胀机C-4。每个涡轮压缩机-膨胀机C-2、涡轮压缩机-膨胀机C-3、涡轮压缩机-膨胀机C-4压缩空气1和二氧化碳2以使二氧化碳2冷凝，然后使空气1和二氧化碳2膨胀以使它们在相应各自的热交换器E-1、热交换器E-2、热交换器E-3中冷却6。在该实施方式中，存在三个涡轮压缩机/膨胀机C-2、C-3、C-4，每一者具有热交换器E-1、E-2、E-3，在空气1和二氧化碳2的流被再次压缩和膨胀之前流过热交换器E-1、热交换器E-2、热交换器E-3。然而，应当理解，可以使用更多或更少的涡轮压缩机-膨胀机。涡轮压缩机-膨胀机C-2、涡轮压缩机-膨胀机C-3、涡轮压缩机-膨胀机C-4是例如汽车技术中所用的那些。根据各个方面，步骤(a)可以包括使空气干燥。

关于以上讨论的涡轮压缩机-膨胀机装置，根据一些方面，从大气中捕集二氧化碳可包括冷却空气以液化空气中的二氧化碳。例如，冷却空气以液化空气中的二氧化碳可以包括压缩空气，然后使空气膨胀，例如通过使用上述一个或多个涡轮压缩机-膨胀机装置。根据其它方面，可以重复压缩空气然后使空气膨胀的步骤。根据其它方面，该步骤可以重复三次。根据另一方面，该步骤可以重复四次。

接着，液体/气体分离7用于将二氧化碳2与空气1和二氧化碳2的流分离。二氧化碳2和残留的空气1在压缩机C-5中被压缩。然后，它们在罐V-1中膨胀，使得二氧化碳2液化。在该实施方式中，二氧化碳2处于约-40℃的温度和超过10bar的压力下。残留的空气1被排空。

液态二氧化碳2在送入用于甲烷化的Sabatier反应器R-1之前被加热并返回成为其气态形式，如下文进一步描述。

二氧化碳也可以通过其他方法捕集并制备用于甲烷化。例如，二氧化碳可以在低于25℃的温度下在含有胺的吸附剂材料上捕集，然后加热吸附剂材料以释放所捕集的二氧化碳气体。在图1的情况下，这将处理二氧化碳2至甲烷化13。在图2的情况下，这将从柱Q-1处理至罐V-1，沿行图2中概述的柱Q-1和罐V-1之间的那些不同的步骤。

氢气生成

继续参考图1和图2，现在将更详细地描述电解水8以提供氢气11的第二步骤。还将描述在该步骤中使用的设备的示例。

雨水8通过雨水8漏斗Q-2收集并储存在罐18中。在该工艺的变型中，水可以从与雨水不同的源(例如，饮用水和/或在整个金刚石生产工艺中从其他位置再循环的水)收集在罐18中。水8通过连接到罐18的计量泵19转移到滤网20中。计量泵19在低压下操作。在该实施方式中，计量泵19运行的压力为约0.5barg。水8通过滤网20并被滤网20过滤。接着，水8通过过滤器21，过滤器21相对粗糙地过滤水8。从过滤器21起，水8进入反渗透纯化单元22，其进一步利用反渗透来纯化水8。接着，将水8在蒸馏器(未示出)中蒸馏并在去离子器23中去离子。在替选工艺中，水8可以通过反渗透纯化。

从去离子器23起，水通过至电解槽X-1。电解槽X-1由可再生能源提供动力。例如，电解槽X-1可由风能、太阳能、波浪能、潮汐能、或地热能提供动力。电解槽X-1通过电解10工艺将水8分解成氢气11和氧气12。在该实施方式中，所得到的氢气11是约99.999％的纯度。氧气12被排出到废气氧化器R-2中，以用在废气回收工艺中，如将在下面进一步描述的。氢气11被送到储氢罐T-1中。

储氢罐T-1是一种专业的实验室器材罐，其储存纯度为99.999％的氢气11输入，并且返回纯度为99.9999％的氢气11。罐T-1是含有固体金属氢化物的容器。在该实施方式中，固体金属氢化物是AB5型合金。压力根据存储的压力使用减压阀进行调节，在一个示例中该压力可以高达10barg。

水的电解可以使用至少一种聚合物电解质膜(PEM)电解池进行。根据另一方面，PEM电解池可以被设置成使用固体聚合物电解质(SPE)来产生氢气。根据各个方面，当至少一种PEM电解池用于水的电解时，电解可在低于150℃的温度下进行。根据另一方面，该电解可以在100℃或更低的温度下进行。根据另一方面，该电解可以在50℃和100℃之间的温度下进行。

甲烷化

如上所讨论的，用于制造合成金刚石的本方法的第三步骤涉及将从第一步骤获得的二氧化碳与从第二步骤获得的氢气反应以生成甲烷。现在将继续参照图1和图2更详细地描述该工艺及其使用的设备。

如上所述，将从第一步骤获得的二氧化碳2储存在罐V-1中。如上所述，将来自第二步骤的氢气11储存在储氢罐T-1中。将二氧化碳2和氢气11从这些罐V-1、T-1中抽出到Sabatier反应器R-1中。在Sabatier反应器R-1中，二氧化碳2与氢气11反应以生成甲烷14(甲烷化13)。根据通过下面的反应式描述的Sabatier反应使氢气11和二氧化碳2反应：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O+能量

反应可以在催化剂的存在下进行。在一个实施方式中，使用钌催化剂。反应发生在250℃和约0.7barg下。在这些条件下，超过95％的二氧化碳2被转化，甲烷14的选择性是基本上100％。也就是说，超过95％的二氧化碳2被唯一地转化为甲烷，而二氧化碳2没有明显地转化为任何其它产品。反应可以在100℃和800℃之间的温度下进行。反应可以在150℃和600℃之间的温度下进行。反应可以在250℃和450℃之间的温度下进行。反应可以在基本上250℃的温度下进行。

根据其它方面，催化剂可以是镍基催化剂、铼基催化剂、铑基催化剂或钴基催化剂。根据另一方面，催化剂可以包括镍基催化剂和钌基催化剂的混合物。根据各个方面，催化剂可以是负载的或非负载的。根据另一方面，催化剂可被负载在包括氧化物的载体上。根据另一方面，催化剂可以被负载在包括TiO₂、SiO₂、MgO或Al₂O₃的载体上。

甲烷化反应可以使用产甲烷菌进行。如上所讨论的，产甲烷菌是在缺氧或厌氧条件下产生作为代谢副产物的甲烷的微生物。当使用产甲烷菌进行甲烷化时，反应可以包括根据以下反应使二氧化碳与氢气反应：

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O+能量

换句话说，该反应可以与Sabatier工艺基本上相同，但可以是自然反应。产甲烷菌可以是古生菌或其它原核生物。甲烷化可以使用可想到的任何种类的产甲烷菌来进行。根据各个方面，产甲烷菌产生作为其呼吸过程的一部分的甲烷，其中二氧化碳在通常为低温(～50℃)和低压(大气压或略高于大气压)的条件下转化成甲烷。

如在上述标题为“发明内容”部分中的步骤(c-1)的上下文中所解释的，本发明还可以涉及通过水与二氧化碳的电化学反应来生成甲烷，而不是或另外地通过二氧化碳与由水的电解获得的氢气的反应来生成甲烷。

在图1和图2的情况下，例如，使用已经储存在罐V-1中的二氧化碳2和纯化的水进行电化学甲烷化。例如，水可以根据上文在标题为“氢气生成”的子部分中详述的过程或者通过反渗透而纯化。

纯化的水和二氧化碳可以以流速为20sccm至50sccm的气相被送到一个或多个电化学电池。该示例中的电化学电池由1.8V至2.2V的直流电供电，并含有包括镍的催化剂。

返回参考图1和图2，然后在甲烷纯化设备F-3中纯化所生成的甲烷14。该设备F-3通过去除任何杂质(包括也是Sabatier工艺的产物或作为电化学工艺的未反应的输入材料而存在的水8)而纯化甲烷14。在该实施方式中，水8通过离心分离而收集，然而可以使用冷凝或吸附方法作为替选。在该实施方式中，将水8加入(未示出)电解槽X中被电解10的水8中，用于产生更多的氢气11。甲烷14储存在甲烷罐T-2中备用。

在电化学甲烷化工艺的情况下，作为副产物生成的氢气可以作为共试剂被送至CVD金刚石制造步骤。作为电化学甲烷化工艺的副产物而生成的氢气也可以送至热化学甲烷化步骤和/或生物甲烷化步骤(如果存在)，以与二氧化碳反应来生成甲烷。

根据步骤(c)或步骤(c-1)产生的甲烷可以使用变压吸附技术纯化。甲烷化可以包括使用分子筛去除氧气。甲烷化可以包括使用沸石去除二氧化碳、氮气和水中的至少一种。以与上述参考Sabatier工艺相似的方式，根据至少一个方面，作为使用产甲烷菌的甲烷化工艺的结果所产生的水的至少一部分可以被再循环或者以其他方式用于电解工艺中。

根据某些方面，可以使用低温来纯化甲烷。根据一个方面，甲烷化可以包括使用膜去除氮气和CO₂。根据另一方面，甲烷化可以包括使用除湿式干燥来去除水。根据一些方面，甲烷化可以包括使用胺气处理器来去除硫化物杂质。

CVD金刚石制造

用于制造合成金刚石16的本方法的第四步骤包括利用从第二步骤获得的氢气11和从第三步骤获得的甲烷14，以利用CVD工艺15生成合成金刚石16。继续参考图1和图2，现在将描述在本实施方式的情况下的该CVD工艺15以及用于进行CVD工艺15的设备。

在一个实施方式中，目的是生产适合珠宝市场的宝石级金刚石。氢气11和甲烷14从它们各自的罐T-1、罐T-2被吸入到CVD金刚石机CVD-1中。在一个实施方式中，CVD金刚石机是微波等离子体CVD机。送入CVD金刚石机CVD-1的气体混合物是比例为5:1的氢气:甲烷。微波CVD工艺15用于制造宝石级单晶金刚石16。在该实施方式中，CVD在40kPa(300Torr)的压力和约950℃的温度下进行。小于50kW的电源在金刚石基底上产生等离子体区。例如，金刚石基底可以包括然后可以用作用于金刚石晶体生长的初始基点的金刚石晶种。碳滴落到基底的晶格上，以生长准备好精加工的金刚石16。

在一个实施方式中，带负电荷的氮夹杂物用于形成绿色金刚石。在其它实施方式中，其它掺杂剂可以用于形成其它颜色的金刚石。

在该实施方式中，氧气12也被从CVD金刚石机CVD-1中清除以停止形成烟灰。该氧气12以及来自机器的碳排放物被送到废气氧化器R-2。如上所讨论的，来自电解10工艺的氧气12也被送到废气氧化器R-2。在废气氧化器R-2中，发生碳的氧化17，产生另外的二氧化碳2。根据一个示例，将该二氧化碳加入到柱Q-1中以增加在二氧化碳2捕集工艺中的二氧化碳2的浓度。在排放到大气中之前，使残留的气体是安全的。根据另一个示例，二氧化碳与从电解工艺获得的氢气反应以生成甲烷。

根据一个或多个方面，CVD工艺可以在0.5kPa至100kPa的压力下进行。根据另一方面，CVD步骤可以在1kPa和50kPa之间的压力下进行。根据另一方面，CVD步骤可以在基本上40kPa的压力下进行。

根据各个方面，CVD工艺可以在600℃和1200℃之间的温度下进行。根据另一方面，CVD步骤可以在700℃和1000℃之间的温度下进行。根据另一方面，CVD步骤可以在基本上950℃的温度下进行。根据某些方面，在CVD工艺中使用的氢气与甲烷的比例可以为基本上5:1。

根据至少一个方面，CVD工艺可以在基底上进行。根据某些方面，基底可以包括金刚石、硅、钨、钼、碳化硅、氮化硅、石英玻璃或硬质合金。

根据一个或多个方面，CVD工艺可以使用微波等离子体CVD机进行。

金刚石加工

在最后一个步骤(未示出)中，金刚石16通过切割和抛光而被加工成宝石级。

根据一些方面，在CVD加工之后，合成金刚石可以被退火。根据一个示例，使合成金刚石退火的步骤可以在高压高温(HPHT)压机中进行。

根据至少一个方面，在进行退火步骤之后可以对合成金刚石进行切割和抛光，以生产宝石级金刚石。

根据至少一个方面，本文讨论的一种或多种工艺可包括使用来自至少一种可再生源的能量。例如，电解可以包括使用来自至少一种可再生源的能量。因此，利用可补充能源(例如来自水、风和太阳的能量)的一种或多种技术可用于进行本文讨论的至少一种工艺(即，二氧化碳捕集、电解、甲烷化、CVD金刚石形成)。例如，根据各个方面，至少一种可再生源可以包括风能、太阳能、波浪能、潮汐能和/或地热能。根据另一方面，可再生源可以用于进行本文讨论的每个工艺。

因此，已经描述了至少一个示例的多个方面，本领域技术人员应当理解将容易出现各种变更、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以在其他情况下使用。这种变更、修改和改进旨在成为本发明的一部分，并且旨在在本文讨论的示例的范围内。因此，上述说明和附图仅作为示例。