石墨烯中的纳米波纹可使其成为强催化剂

曼彻斯特大学

由国家石墨烯研究所（NGI）Andre Geim教授领导的一组研究人员发现，石墨烯中的纳米波纹可以使其成为一种强大的催化剂，这与一般预期相反，即碳片的化学惰性与获得它的大块石墨一样。

本周发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明，表面具有纳米级波纹的石墨烯可以加速氢分解，是最好的金属基催化剂。这种意想不到的效果很可能存在于所有二维材料中，这些材料本质上都是非平面的。

曼彻斯特团队与来自中国和美国的研究人员合作进行了一系列实验，以证明石墨烯的非平面性使其成为一种强大的催化剂。首先，使用超灵敏气流测量和拉曼光谱，他们证明石墨烯的纳米级波纹与其与分子氢(H2 ) 的化学反应有关，并且其离解成原子氢 (H) 的活化能相对较小。

该团队评估了这种反应性是否足以使该材料成为一种有效的催化剂。为此，研究人员使用了氢气和氘 (D 2 ) 气体的混合物，发现石墨烯确实起到了强大催化剂的作用，将 H 2和 D 2转化为 HD。这与石墨和其他碳基材料在相同条件下的行为形成鲜明对比。气体分析表明，单层石墨烯产生的 HD 量与已知的氢催化剂（如氧化锆、氧化镁和铜）大致相同，但石墨烯的需求量很小，不到后者催化剂的 100 倍.

“我们的论文表明，独立式石墨烯与石墨和原子平面石墨烯完全不同，后者在化学上极度惰性。我们还证明，纳米级波纹对于催化作用比‘通常怀疑的’如空位、边缘和其他缺陷更重要。石墨烯的表面，”该论文的第一作者孙鹏展博士说。

该论文的主要作者盖姆教授补充说：“由于热波动和不可避免的局部机械应变，所有原子级薄的晶体中都会自然发生纳米波纹，因此其他二维材料也可能表现出类似的增强反应性。至于石墨烯，我们当然可以期待它在其他反应中具有催化和化学活性，而不仅仅是涉及氢的反应。”

“二维材料通常被认为是原子平板，而由不可避免的纳米级波纹引起的影响迄今为止被忽视了。我们的工作表明这些影响可能是巨大的，这对二维材料的使用具有重要意义。例如，块状硫化钼和其他硫族化物通常用作 3D 催化剂。现在我们应该想知道它们是否可以在 2D 形式下更加活跃。”