【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近年來電解水制氫受到廣泛關(guān)注，尋找能替代貴金屬的廉價(jià)的電催化劑成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。石墨烯由于具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及易于化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)，引起了科研人員的廣泛關(guān)注，人們致力于將其發(fā)展成為高活性的電解水制氫催化劑。已有研究結(jié)果表明通過氮等雜原子摻雜可以調(diào)控雜原子近鄰碳原子的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)該碳原子活性位點(diǎn)與反應(yīng)中間體的吸附作用，進(jìn)而提高石墨烯等碳基材料的電催化析氫性能，然而傳統(tǒng)的吡啶、吡咯和石墨型氮摻雜模式對(duì)于石墨烯等碳基催化劑的性能調(diào)控，效果不佳，與報(bào)道的高活性的金屬基催化劑相比仍有很大的差距。
 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員通過密度泛函理論計(jì)算(DFT)揭示在一個(gè)石墨烯晶格六元環(huán)內(nèi)進(jìn)行雙石墨型氮摻雜可以顯著改變材料中碳原子(與兩個(gè)氮原子結(jié)合的碳原子)的電子結(jié)構(gòu)，降低碳活性位點(diǎn)的ΔGH*值至非常接近于0eV，有望進(jìn)一步提高碳基材料的析氫催化活性。該研究采用金屬有機(jī)框架化合物Cu-BTC作為前驅(qū)體，通過煅燒和溶劑熱處理得到類石墨烯粒子聚集體，經(jīng)CV循環(huán)后，其酸性電催化析氫性能逐漸提高，達(dá)到值時(shí)，在10 mA/cm2電流密度下其過電位僅為57mV，塔菲爾斜率為44.6 mV/dec，顯示出與已報(bào)道的高活性金屬基催化劑和Pt/C催化劑可比的電催化析氫性能。紅外光譜、X射線光電子能譜、X射線近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)和固態(tài)核磁共振的表征結(jié)果表明該碳基材料形成了雙石墨型氮摻雜于一個(gè)石墨烯晶格六元環(huán)的新結(jié)構(gòu)，與兩個(gè)相鄰的石墨型氮鍵合的碳原子是催化活性位點(diǎn)，該鍵合方式有利于增強(qiáng)H在C活性位點(diǎn)上的吸附，從而提高催化活性。
 

　　研究成果以Dual Graphitic-N Doping in a Six-Membered C-Ring of Graphene-Analogous Particles Enables an Efficient Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction 為題在線發(fā)表在期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201908210)。
 

　　中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料系教授陳乾旺為論文通訊作者，中國(guó)科大博士研究生林志宇和博士后楊陽(yáng)為論文共同作者。合肥同步輻射國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、上海同步輻射光源和合肥穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)中心對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征分析提供了重要的幫助，該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。