中國儲能網(wǎng)訊：導(dǎo)熱性強(qiáng)、導(dǎo)電率高、薄且堅硬、透光度好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、載流子遷移速度快……毫無疑問，無論是現(xiàn)在還是未來幾十年，石墨烯都是一顆閃亮的材料“明星”。石墨烯基催化劑在催化領(lǐng)域具有的優(yōu)異性能也時常見諸報端。
“但我們發(fā)現(xiàn)，和在其他催化領(lǐng)域如光催化、電催化相比，石墨烯基催化劑在熱催化領(lǐng)域的發(fā)展十分緩慢?！?月14日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱理化所）研究員、中科院“百人計劃”入選者張鐵銳在接受采訪時，對《中國科學(xué)報》記者說。
科研人員發(fā)現(xiàn)，很多理論預(yù)測表明，石墨烯基催化劑在熱催化中會有很好的性能，卻很少有相關(guān)工作能夠?qū)崿F(xiàn)。
“通過詳細(xì)的實(shí)驗研究，我們發(fā)現(xiàn)，這可能是由于兩大主要問題導(dǎo)致的。”張鐵銳表示，他帶領(lǐng)理化所的科研人員與美國加州大學(xué)河濱分校殷亞東教授不僅找到了問題所在，還給石墨烯安上了“蓮蓬頭”，從而保證了催化劑的穩(wěn)定性與活性。
讓石墨烯“布料”不搓團(tuán)
石墨烯的厚度只有0.34納米，即使將十萬層石墨烯疊加在一起，厚度也只相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。這就是張鐵銳帶領(lǐng)團(tuán)隊開展工作的平臺。
石墨烯基催化劑在熱催化領(lǐng)域發(fā)展緩慢的兩大原因同樣也是其固有缺點(diǎn)。
“石墨烯納米片之間的強(qiáng)π—π相互作用力使催化劑團(tuán)聚嚴(yán)重從而遮蔽了大量活性位點(diǎn)?！睆堣F銳解釋其中一個問題。
另一個問題為，石墨烯與其表面負(fù)載的納米催化劑之間作用力較弱，使得負(fù)載的納米催化劑顆粒容易發(fā)生遷移、團(tuán)聚長大從而降低甚至失去催化活性。
張鐵銳將石墨烯比喻為柔軟的布料。如果將布料隨意放著，就容易揉團(tuán)。石墨烯基材料的特點(diǎn)通常是基于石墨烯較大的表面積以及特殊的電子效應(yīng)。
介于以上兩大難題，這些性質(zhì)在熱催化領(lǐng)域無法體現(xiàn)，大大限制了石墨烯的應(yīng)用。
對于石墨烯基催化劑而言，保持單層石墨烯的良好分散性是解決其未來應(yīng)用的重要前提。尤其為了提高催化活性，對催化劑的活性位點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)顯得尤為重要。
如何在又細(xì)又柔軟的石墨烯上將催化劑顆粒擺放整齊，同時還能保證催化劑活性不喪失？
“因此，我們采用介孔二氧化硅對石墨烯進(jìn)行保護(hù)，利用二氧化硅片層在微米尺寸上穩(wěn)定石墨烯，同時利用介孔在納米尺寸穩(wěn)定納米催化劑顆粒，從而得到高穩(wěn)定的石墨烯基催化劑?！睆堣F銳說。
這就相當(dāng)于，將二氧化硅片層看作兩塊木板，將石墨烯“布料”平鋪壓在其間，這自然就使得“布料”不搓團(tuán)?！耙埠芟袢髦谓Y(jié)構(gòu)?！?
固定納米催化劑顆粒
2010年，張鐵銳作為中科院“百人計劃”海外引進(jìn)人才加入理化所。從那時起，他就與殷亞東課題組聯(lián)合研發(fā)這一課題。
一直以來，雙方都在二氧化硅材料方面進(jìn)行了長期研究?！盎诖耍覀兿氲?，這種廉價、熱穩(wěn)定的二氧化硅材料可成為穩(wěn)定石墨烯的優(yōu)先選擇。”他說。
石墨烯與金屬納米顆粒互相之間能夠互補(bǔ)從而具有更高的催化效率。在工業(yè)應(yīng)用中，不少金屬納米催化劑都以貴金屬為原料，例如燃料電池中就會使用鉑。催化劑高昂的成本使得如何保證其高活性成為一個重要的問題。
張鐵銳與團(tuán)隊一度遭遇的難題是，納米催化劑好比是一顆顆扣子，如果不想辦法固定在“布料”上，很容易四處滑動、碰撞。
如果選用實(shí)心二氧化硅結(jié)構(gòu)，雖然對納米催化劑可起到保護(hù)作用，但由于孔道過于狹小，必然會遮蔽催化劑的活性位點(diǎn)，導(dǎo)致催化劑活性下降。
另外，在一定催化反應(yīng)條件下，納米催化劑顆粒之間就像冰激凌球融化后之間黏連，同樣致使催化劑效率降低。
“蓮蓬給了我們很好的啟示?！睆堣F銳說。催化劑就好像是蓮蓬中的蓮子，這些小小的顆粒既可以暴露又固定在蓮蓬頭的小孔中，想要達(dá)到的效果都有了：在抑制納米顆粒團(tuán)聚的基礎(chǔ)上同時保證其高活性。
相關(guān)研究結(jié)果以“熱點(diǎn)文章”形式發(fā)表在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》，并被選為當(dāng)期“內(nèi)封面”向讀者重點(diǎn)推薦。
國際著名科學(xué)媒體Materials Views以A robust graphene-supported catalyst為題，對該研究進(jìn)行亮點(diǎn)點(diǎn)評。其認(rèn)為，這種石墨烯模板和“介孔二氧化硅封裝保護(hù)”策略的組合提供了一個健壯的開發(fā)高穩(wěn)定工業(yè)相關(guān)催化劑的平臺。
“科學(xué)研究始終應(yīng)以應(yīng)用為最終導(dǎo)向?！睆堣F銳對此非?？隙?。這項研究提供了一個高穩(wěn)定性的石墨烯/金屬復(fù)合催化劑平臺，為進(jìn)一步探索其催化性能提供了基礎(chǔ)，解決了其走向?qū)嶋H應(yīng)用中的主要難題之一。
“我們正在考慮針對一些具有重要工業(yè)應(yīng)用價值的催化反應(yīng)對石墨烯/金屬復(fù)合催化劑的組成、尺寸及各種可能影響因素進(jìn)行優(yōu)化。期望得到具有最好性能的催化劑材料，并推廣于應(yīng)用。”他說。
