科学家们发现了一种可替代传统铂基催化剂的氮、钴掺杂固体原子石墨烯催化剂。该催化剂可以将水中的氢分离出来，用于氢燃料电池，而且其起始电压低，活性高，保持时间长，价格低廉。
 

氮、钴掺杂的石墨烯量子点结构
 

　莱斯大学的科学家们研究发现，掺有氮原子和钴原子的石墨烯能制成一种高效且持久的催化剂。中国科学院、德州大学圣安东尼奥分校、休士顿大学和James Tour化学实验室共同报告了这种用于从水中提取氢气的超级固体催化剂的发展进程。

　大家已知的铂基催化剂可以用来分解水，这种方法能够为一些燃料电池提供所需的氢气。但是铂属于贵金属，这样做成本较高。因此这一最新发现朝着低成本生产氢就迈进了重大的一步。

　Tour说：“这项研究成果的独特之处在于，我们使用既不是金属粒，也不是纳米金属粒，而是原子。”这种物质的颗粒要多小就有多小。

　Tour认为：“即使是小到纳米尺度的粒子也仅在物质的表面起作用，而纳米粒中的许多原子在一定程度上根本不起任何作用。但在我们的实验中，驱动催化的原子并没有任何金属原子相邻。我们用尽量少的钴来制造这种催化剂，使它几乎能与性能最佳的铂基催化剂相较横。”在对比试验中，新型催化剂与铂基催化剂都可以在较低的开始电压下进行催化反应，将水分解成氢气和氧气。

　这种新型催化剂可以混合成溶液，并且制成像纸一样薄的材料，或者用作表面涂层。Tour认为已经能够在液体中实现单原子催化剂，但在表面上催化还很难，不过通过设置电极应该可以比较容易地解决这一问题。“研究人员发现，经热处理的氧化石墨烯和少量的钴盐在气体环境中会迫使单个钴原子与材料结合。电子显微镜照片显示，样品中的钴原子很分散。

　他们测试了仅掺氮的石墨烯，发现它缺少启动催化过程的能力。但是如果加入很少量的钴就能显著地提高它分解酸性或碱性水的能力。

　尽管托尔认为这是一种性能极高的材料，但是他也不得不承认，铂碳催化剂的起始催化电压更低，”毫无疑问，目前它们是最好的。但是石墨烯基催化剂的起始电压也没有高很多，而且它更容易大规模生产并且成本低得多。“托尔认为单层石墨烯的比表面积大，在恶劣环境中工作稳定性高并且导电率高，因此是一种理想的基底。在进行10个小时的加速催化实验后，这种新型催化剂会的活性会稍有降低，但是这是可以忽略不计的。

责任编辑：班英飞

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