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。然而到目前為止，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，而石墨烯本身作為催化劑實現電催化析氫還鮮有報道。
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。（Adv. Mater. 2015, 27, 2821-2837; Adv. Mater. 2015, 27, 4195-4199; Adv. Mater. 2016, 28, 4956-4975; Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600347; J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 7464-7471; Mater. Horiz. 2016, 3, 568; Chem. Mater. 2017, 29, 1022-1027; Nat. Commun. 2017, 8, 14029; Carbon 2017, 121, 1-9）。
最近，科研人員通過與理化技術研究所光化學轉換與功能材料院重點實驗室的吳驪珠課題組以及清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室的馬天寶副教授合作，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。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網絡所組成，其中的氧化硅納米線網絡是通過化學氣相沉積在硅基底上原位製備得到。
含高密度邊界位點的三維石墨烯網絡
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。
圖2 三維石墨烯網絡材料的電催化分解水析氫性能
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。
同時，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，正是由於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。這一開創性的研究成果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。相關成果發表於Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 192-197。
文章鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201709901/abstract
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