日本筑波大學(xué)的研究人員研制出一種石墨烯電極，能在酸性條件下產(chǎn)生氫氣。在綠色經(jīng)濟中，電解水產(chǎn)生氫氣對于儲能至關(guān)重要。然而，主要的障礙之一是貴金屬電極的成本太高。廉價的金屬電極在驅(qū)動析氫反應(yīng)（HER）中起著很好的作用，但主要是在堿性條件下，反應(yīng)是弱電性的。更有效的酸相反應(yīng)需要貴金屬例如鉑。但問題是，酸性電解液具有腐蝕性，會侵蝕核心金屬。

研究人員發(fā)現(xiàn)多孔石墨烯可以解決這個問題。他們使用氮摻雜石墨烯片來封裝鎳-鉬（NiMo）電極合金，石墨烯含有大量納米級的孔。研究人員表明，在酸性條件下的HER中多孔石墨烯明顯優(yōu)于無孔石墨烯。石墨烯在HER電極中的使用并不新鮮，這種柔性導(dǎo)電碳片是包裹核心金屬的理想材料，不過石墨烯雖然能保護(hù)金屬免受腐蝕，同時也抑制了它的化學(xué)活性。在筑波大學(xué)的研究中石墨烯的孔以兩種方式促進(jìn)反應(yīng)，與此同時完整的石墨烯可以保護(hù)金屬。

“我們通過用納米二氧化硅修飾NiMo表面的方法創(chuàng)造了孔，”研究者之一的筑波大學(xué)胡凱龍博士解釋說。“當(dāng)我們沉積石墨烯層時，在納米顆粒的位置留下了空白，就像浮雕藝術(shù)品。事實上，這些孔不僅僅是縫隙，而是“條紋”（fringes）。從技術(shù)上講，這些條紋是結(jié)構(gòu)缺陷，但它們可以促進(jìn)電極的化學(xué)反應(yīng)。

研究小組解釋說，與普通的石墨烯相比，條紋更親水。可以吸引在酸溶液中的水合氫（H3O+），H3O+在兩種HER機制之一中起著至關(guān)重要的作用。這些條紋在吸附單個氫原子方面也很好，也為其他重要的HER過程提供了表面積。結(jié)果表明與這種電極與常規(guī)電極產(chǎn)生H2的效果一樣。同時石墨烯的非多孔部分延緩了金屬催化劑在酸中的溶解。“這是氫析出電極的一個多用途的新概念，”筑波大學(xué)的副教授YoshikazuIto說，他是這項研究的主要作者。“我們的目標(biāo)是最小化反應(yīng)所需的過電位，因此不限于一種特定的催化劑。我們通過優(yōu)化孔的大小和數(shù)量來調(diào)整我們的多孔石墨烯層，特別是對NiMo。令人驚訝的是，盡管有很多孔，催化劑在酸性條件下仍然能保持穩(wěn)定。在未來，很多金屬都可以定制多孔石墨烯，推動氫生產(chǎn)的全面應(yīng)用。