中國儲能網(wǎng)訊：導熱性強、導電率高、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)，和在其他催化領域如光催化、電催化相比，石墨烯基催化劑在熱催化領域的發(fā)展十分緩慢?！?月14日，中國科學院理化技術(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《中國科學報》記者說。
科研人員發(fā)現(xiàn)，很多理論預測表明，石墨烯基催化劑在熱催化中會有很好的性能，卻很少有相關工作能夠?qū)崿F(xiàn)。
“通過詳細的實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)，這可能是由于兩大主要問題導致的?！睆堣F銳表示，他帶領理化所的科研人員與美國加州大學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
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，厚度也只相當于一根頭發(fā)絲的直徑。這就是張鐵銳帶領團隊開展工作的平臺。
石墨烯基催化劑在熱催化領域發(fā)展緩慢的兩大原因同樣也是其固有缺點。
“石墨烯納米片之間的強π—π相互作用力使催化劑團聚嚴重從而遮蔽了大量活性位點。”張鐵銳解釋其中一個問題。
另一個問題為，石墨烯與其表面負載的納米催化劑之間作用力較弱，使得負載的納米催化劑顆粒容易發(fā)生遷移、團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。石墨烯基材料的特點通常是基于石墨烯較大的表面積以及特殊的電子效應。
介于以上兩大難題，這些性質(zhì)在熱催化領域無法體現(xiàn)，大大限制了石墨烯的應用。
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進行適當?shù)谋Ｗo顯得尤為重要。
如何在又細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行保護，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。“也很像三明治結(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行了長期研究?！盎诖?，我們想到，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從而具有更高的催化效率。在工業(yè)應用中，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。
如果選用實心二氧化硅結(jié)構(gòu)，雖然對納米催化劑可起到保護作用，但由于孔道過于狹小，必然會遮蔽催化劑的活性位點，導致催化劑活性下降。
另外，在一定催化反應條件下，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，想要達到的效果都有了：在抑制納米顆粒團聚的基礎上同時保證其高活性。
相關研究結(jié)果以“熱點文章”形式發(fā)表在國際化學領域頂級期刊《德國應用化學》，并被選為當期“內(nèi)封面”向讀者重點推薦。
國際著名科學媒體Materials Views以A robust graphene-supported catalyst為題，對該研究進行亮點點評。其認為，這種石墨烯模板和“介孔二氧化硅封裝保護”策略的組合提供了一個健壯的開發(fā)高穩(wěn)定工業(yè)相關催化劑的平臺。
“科學研究始終應以應用為最終導向?！睆堣F銳對此非常肯定。這項研究提供了一個高穩(wěn)定性的石墨烯/金屬復合催化劑平臺，為進一步探索其催化性能提供了基礎，解決了其走向?qū)嶋H應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)應用價值的催化反應對石墨烯/金屬復合催化劑的組成、尺寸及各種可能影響因素進行優(yōu)化。期望得到具有最好性能的催化劑材料，并推廣于應用。”他說。
