電催化分解水制氫是減少環(huán)境污染及實(shí)現(xiàn)可再生清潔能源的重要途徑。開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定的制氫催化劑具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。石墨烯材料因其具有比表面積大、導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電催化分解水制氫的研究中。但目前為止，石墨烯材料還僅僅作為催化劑的載體使用，通過(guò)助催化劑的負(fù)載或者雜原子摻雜等途徑提升析氫能力。石墨烯本身作為催化劑實(shí)現(xiàn)電催化析氫的相關(guān)報(bào)道較為缺失。 

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員于貴課題組長(zhǎng)期致力于化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)和刻蝕石墨烯研究，并已制備了多種具有不同層數(shù)、結(jié)構(gòu)、維度以及形貌的石墨烯材料，對(duì)石墨烯的多方面性能進(jìn)行了有效調(diào)控。近日，課題組與中科院理化技術(shù)研究所光化學(xué)轉(zhuǎn)換與功能材料院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳驪珠課題組、清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授馬天寶合作，在無(wú)金屬催化劑、無(wú)模板的條件下直接制備了三維石墨烯材料，進(jìn)一步對(duì)石墨烯的形貌進(jìn)行了調(diào)控。 

該研究所得到的三維石墨烯由高密度的直立石墨烯包覆氧化硅納米線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所組成，其中的氧化硅納米線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)化學(xué)氣相沉積在硅基底上原位制備得到。不同于惰性的二維平面石墨烯，三維石墨烯材料中的高密度邊界位點(diǎn)可以作為活性中心催化質(zhì)子吸附與還原產(chǎn)生氫氣。這是國(guó)際上首次提出通過(guò)對(duì)石墨烯材料的形貌調(diào)控，實(shí)現(xiàn)其在非摻雜、不負(fù)載助催化劑條件下的高效電催化分解水析氫。電化學(xué)測(cè)試表明，形貌優(yōu)化的三維石墨烯材料電化學(xué)析氫的起始電壓僅為~18 mV，與商用的Pt/C十分接近。理論研究證明，優(yōu)異的析氫性能源于三維石墨烯材料豐富的尖端位點(diǎn)，這些高密度的邊界尖端位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了催化惰性的本征石墨烯向高催化性能的轉(zhuǎn)變。該研究為石墨烯材料在電解水析氫領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。 

相關(guān)研究成果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院的資助。 

論文鏈接 

圖1.含高密度邊界位點(diǎn)的三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)

圖2.三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)材料的電催化分解水析氫性能