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科学院化学所在石墨烯电催化分解水制氢领域的新进展

         水制氢的电催化分解是减少环境污染和实现可再生清洁能源的重要途径,开发高效、稳定的制氢催化剂具有重要的科学价值和现实意义。石墨烯材料由于其比表面积大、电导率好、稳定性高等优点,在电催化分解水制氢研究中得到了广泛的应用。然而,到目前为止,石墨烯材料仅作为催化剂载体,通过催化剂负载或杂原子掺杂等手段来提高析氢能力,而石墨烯本身作为实现电催化制氢的催化剂却鲜少报道。

        中国科学院化学研究所有机固体研究所在国家自然科学基金、科技部和中国科学院的大力支持下,重点实验室的科研人员在化学气相沉积生长和石墨烯刻蚀领域进行了系统研究,取得了重要进展。制备出了多种不同层数、不同结构、不同尺寸、不同形貌的石墨烯材料,有效地调节了石墨烯多方面性能。

图1 含高密度边界位点的三维石墨烯网络

图2 三维石墨烯网络材料的电催化分解水析氢性能 

        最近,清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室马天宝与光化学转化与功能材料院重点实验室吴骊珠合作,在无金属催化剂、无模板的条件下制备了三维石墨烯材料,进一步规范了石墨烯的形貌。该三维石墨烯由高密度垂直石墨烯包覆的氧化硅纳米线组成,其中氧化硅纳米线采用化学气相沉积法在硅基底上制备(如图1所示)。与惰性二维平面石墨烯不同,三维石墨烯材料中的高密度边界位置可作为催化质子吸附还原制氢的活性中心。这是世界上第一次通过调整石墨烯材料的形貌,在未掺杂和未负载催化剂的条件下,通过电催化分解,将石墨烯材料分解水析氢。电化学测试表明,优化形貌的三维石墨烯材料的电化学析氢起始电压仅为18 mV,与商品化的Pt/C非常接近(如图2所示)。同时,理论研究证明,三维石墨烯材料具有丰富的尖端位点,正是因为这些高密度的边界端位点实现了本征石墨烯从催化惰性到高催化性能的转变,才能获得优异的电解水析氢性能。这一开创性的研究成果为石墨烯材料在电解水析氢领域的应用提供了理论和应用基础。相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 192-197上。

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