納米波紋石墨烯成為強(qiáng)大的催化劑

01

由美國(guó)國(guó)家石墨烯研究所（NGI）的Andre Geim教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的納米波紋可以使其成為一種強(qiáng)大的催化劑，這與一般的預(yù)期相反，即這種碳片與從其獲得的散裝石墨一樣具有化學(xué)惰性。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的納米波紋使它成為一種強(qiáng)大的催化劑，盡管它被認(rèn)為是化學(xué)惰性的。他們發(fā)表在PNAS上的研究表明，石墨烯表面的納米級(jí)波紋可以加速氫氣的分裂，就像最好的金屬基催化劑一樣，而且這種效應(yīng)可能存在于所有二維材料中。

本周發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的研究表明，表面有納米級(jí)波紋的石墨烯可以加速氫氣的分裂，就像最好的金屬基催化劑一樣。這種意想不到的效果可能存在于所有二維材料中，這些材料本身都是不平坦的。

曼徹斯特團(tuán)隊(duì)與來(lái)自中國(guó)和美國(guó)的研究人員合作進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，以證明石墨烯的非平坦性使其成為一種強(qiáng)大的催化劑。首先，利用超靈敏的氣流測(cè)量和拉曼光譜，他們證明了石墨烯的納米級(jí)波紋與它與分子氫（H2）的化學(xué)反應(yīng)性有關(guān)，并且它解離成原子氫（H）的活化能相對(duì)較小。

研究小組評(píng)估了這種反應(yīng)性是否足以使該材料成為高效的催化劑。為此，研究人員使用了氫氣和氘氣（D2）的混合氣體，發(fā)現(xiàn)石墨烯確實(shí)表現(xiàn)為一種強(qiáng)大的催化劑，將氫氣和D2轉(zhuǎn)化為HD。這與石墨和其他碳基材料在相同條件下的行為形成了鮮明的對(duì)比。氣體分析顯示，單層石墨烯產(chǎn)生的HD量與已知的氫氣催化劑（如氧化鋯、氧化鎂和銅）大致相同，但石墨烯只需要極少量，不到后者催化劑的100倍。

"我們的論文表明，獨(dú)立的石墨烯與化學(xué)性質(zhì)極其惰性的石墨和原子平坦的石墨烯都有很大不同。"論文第一作者孫鵬展博士說(shuō)："我們還證明了與石墨烯表面的空位、邊緣和其他缺陷等'通常嫌疑人'相比，納米級(jí)的波紋對(duì)催化作用更為重要。"

論文的第一作者Geim教授補(bǔ)充說(shuō)："由于熱波動(dòng)和不可避免的局部機(jī)械應(yīng)變，所有原子級(jí)薄的晶體都會(huì)自然發(fā)生納米波紋，其他二維材料也可能顯示出類似的增強(qiáng)反應(yīng)性。至于石墨烯，我們當(dāng)然可以期待它在其他反應(yīng)中具有催化和化學(xué)活性，而不僅僅是涉及氫氣的反應(yīng)。"

"二維材料最常被認(rèn)為是原子級(jí)的平板，由不可避免的納米級(jí)波紋造成的影響至今被忽視。我們的工作表明，這些影響可能是戲劇性的，這對(duì)二維材料的使用有重要影響。例如，塊狀硫化鉬和其他茂金屬經(jīng)常被用作三維催化劑?，F(xiàn)在我們應(yīng)該想一想，它們?cè)诙S形式下是否會(huì)更加活躍"。

審核編輯 ：李倩