石墨烯包覆的非貴金屬催化劑實現酸條件下穩定催化析氫
目前，大多數研究的催化析氫反應催化劑的工作都集中在酸性條件下，鹼性環境中的研究鮮有報道。然而，當前酸性介質中最有效的催化劑是貴金屬鉑，成本高昂，因此亟需開發高效、耐用、廉價非貴金屬催化劑。日本筑波大學Yoshikazu Ito教授課題首先採用高溫還原方法將鎳鉬化合物（NiMoO4）纖維還原成三維多孔的NiMo化合物作為骨架，隨後採用化學氣相沉積在其表面沉積上氮摻雜的石墨烯（NGL）形成了NGL包覆的NiMo複合催化劑，三維多孔的NGL可以增加催化反應的活性位點，同時還能作為保護層避免其在酸性電解質中被腐蝕溶解。
研究人員測試了納米孔石墨烯包覆的NiMo催化劑（NiMo-NHG）和微孔石墨烯包覆的NiMo催化劑（NiMo-MHG）的在硫酸電解質環境中的HER性能，並與無孔石墨烯覆蓋的NiMo催化劑（NiMo-FG）進行比較。與NiMo-MHG和NiMo-FG相比，NiMo-NHG催化劑的催化頻率（TOF）最高為1.1H2/s，與商用的Pt催化劑性能相當。研究表明具有納米尺寸孔的石墨烯包覆NiMo合金在酸性電解質中表現出顯著改善的HER性能和壽命。接著研究了N摻雜對催化性能影響，結果發現沒有NiMo的N摻雜多孔石墨烯沒有表現出任何HER活性，而沒有N摻雜的NiMo-NHG產生比N摻雜NiMo-NHG低36%的催化電流密度。因此，N摻雜石墨烯包覆NiMo合金有助於HER性能的提高。
研究人員對催化劑進行耐久性測試後，無石墨烯包覆的多孔NiMo的HER催化活性隨測試時間增加出現明顯下降，主要是因為催化劑在酸性電解質中循環測試期間出現了溶解導致催化活性物質減少。相比之下，NiMo-NHG在1000次催化循環後仍可保持其電流密度的68%，而無石墨烯包覆的NiMo和微孔石墨烯包覆的NiMo-MHG分別保留2.5%和39%。因此，多孔石墨烯包覆成功改善了酸性電解質中非貴金屬的催化性能和穩定性。研究人員通過DFT計算的吉布斯自由能和電荷數量表明，與NiMo催化劑和NiMo-FG相比，NiMo-NHG中的石墨烯孔邊緣改善了電荷轉移，從而有利於H*吸附和解吸並促進HER過程。
該項研究精心設計合成了三維多孔石墨烯包覆的非貴金屬催化劑，實現了酸性環境下高效穩定的催化裂解水產氫，為設計開發高效穩定的光電催化劑提供了新思路。相關研究成果發表在《ACS Energy Letters》。
