電催化分解水制氫是減少環境汙染及實現可再生清潔能源的重要途徑. 開發高效, 穩定的制氫催化劑具有重要的科學價值和現實意義. 石墨烯材料因其具有比表面積大, 導電性好, 穩定性高等優勢, 被廣泛應用於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, 通過助催化劑的負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現電催化析氫的相關報道較為缺失.
中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員於貴課題組長期致力於化學氣相沉積生長和刻蝕石墨烯研究, 並已製備了多種具有不同層數, 結構, 維度以及形貌的石墨烯材料, 對石墨烯的多方面性能進行了有效調控. 近日, 課題組與中科院理化技術研究所光化學轉換與功能材料院重點實驗室吳驪珠課題組, 清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室副教授馬天寶合作, 在無金屬催化劑, 無模板的條件下直接製備了三維石墨烯材料, 進一步對石墨烯的形貌進行了調控.
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矽納米線網路所組成, 其中的氧化矽納米線網路是通過化學氣相沉積在矽基底上原位製備得到. 不同於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可以作為活性中心催化質子吸附與還原產生氫氣. 這是國際上首次提出通過對石墨烯材料的形貌調控, 實現其在非摻雜, 不負載助催化劑條件下的高效電催化分解水析氫. 電化學測試表明, 形貌優化的三維石墨烯材料電化學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, 優異的析氫性能源於三維石墨烯材料豐富的尖端位點, 這些高密度的邊界尖端位點實現了催化惰性的本徵石墨烯向高催化性能的轉變. 該研究為石墨烯材料在電解水析氫領域的應用提供了理論和應用基礎.
相關研究成果發表於Angew. Chem. Int. Ed.. 該研究得到了國家自然科學基金委, 科技部, 中科院的資助.
圖1.含高密度邊界位點的三維石墨烯網路
圖2.三維石墨烯網路材料的電催化分解水析氫性能
