激光诱导石墨烯材料分解水制氢

据国外网站报道：近日莱斯实验室开发出双面石墨烯电极用于分解水形成氢气和氧气。

莱斯大学化学家们合成一种激光诱导的石墨烯催化剂用于分解水制氢。这些廉价的材料在未来可以作为大规模制氢的催化剂，进而为燃料电池所用。

这种生产工艺简便的材料是由莱斯实验室的James Tour博士开发。实验发现在石墨烯催化剂的两个表面上分别有大量的氢气和氧气气泡同时产生。James Tour表示，目前氢气的制备工业以天然气重整制氢为主，将天然气分解为氢气和二氧化碳。因此每产生两个氢气分子，就会有一个二氧化碳分子产生。而二氧化碳的排放是温室效应的源头。但是如果利用催化剂分解水制氢，制氢的副产物是氧气，不会造成环境问题，同时如果消耗的电能来自风能或太阳能发电，那么整个过程便是可再生的。

激光诱导石墨烯（LIG）是通过激光处理聚酰亚胺表面制造而成，聚酰亚胺材料廉价，因此该催化剂的成本可以控制在较低水平。与传统石墨烯六边形单层碳原子结构不同，激光诱导石墨烯是片装石墨烯层交叠形成的泡沫状结构，它的一边附着在下表面，进而保证具有化学活性的一边暴露在空气中。

激光直接诱导石墨烯是无法作为分解水制氢的催化剂，催化水制氢还需要一些步骤。首先，将聚酰亚胺浸泡在加入铂颗粒的水中，然后利用激光发射器加热聚酰亚胺表面进而制造出催化剂。据莱斯大学的毕业生，该催化剂的指导论文主要作者Jibo Zhang介绍，该催化剂的制备所需铂含量仅为目前商业电解水制氢所需铂含量的四分之一。

另一方面，利用电化学沉积法将镍和铁原子与激光诱导石墨烯相结合，可以提高氧气的生成速率。实验表明，阴阳两极的电化学反应仅需要较低的反应电位，同时在超过1000次循环的反应后，催化剂的性能仍然保持良好。

接下来化学家们又提出新的思路，利用钴和磷代替铂或者镍-铁以生产氢气或氧气，利用廉价材料代替贵金属。但James Tour表示使用相对廉价的材料是以牺牲部分效率为代价。

在利用钴-磷生产氢气、镍-铁生产氧气这一方案后，催化剂在1.66V电压下电流密度为10mA/cm²。当提升电压到1.9V时，该电流密度值可以达到400mA/cm²，且材料没有明显衰减。电流密度的数值表征着电解水制氢反应的速率快慢。

James Tour表示，利用激光诱导石墨烯制氢能力与目前的制氢系统能力相当，甚至通常会优于现有系统。在远距离能量传输领域，电能的传输往往会在传输过程中造成大量损耗，而将氢气作为能量载体进行远距离运输是可行而高效的方法。此外，该材料还在二氧化碳及氧气催化还原反应方向有着较为广阔的研究前景。