微波法急速制备石墨烯基金属单原子电催化剂

　　单原子催化剂兼具了均相催化剂和传统异相催化剂的优势，如最大原子利用率、高活性、高选择性、易与产物/溶剂分离等，是近几年来催化领域的研究热点和前沿。石墨烯基金属单原子催化剂因具有高比表面积、高导电性、高（电）化学稳定性而被广泛应用于电催化领域。对于该类材料，行之有效的合成方法是探索和实现其电催化性能的重要前提，但是目前该类材料的制备以热解法为主，存在耗时、耗能、金属单原子易发生团聚等问题。因此，针对石墨烯基金属单原子电催化剂，开发高效、简单、快速的合成方法具有重要的意义。鉴于此，美国加州大学洛杉矶分校的段镶锋课题组、黄昱课题组与北京同步辐射装置的研究人员合作，首次提出了采用瞬时微波加热（2秒）来快速制备多种石墨烯基金属单原子材料的新方法，具有高效性、普适性、简易性、可量产化等优点。相关研究成果发表在2018年7月17日的《Advanced Materials》上。 

　　图1 石墨烯基钴单原子合成与结构表征。（a）微波合成示意图；（b）球差电镜图；（c-h）同步辐射X射线吸收谱表征。 

　　研究人员首先将金属盐与氨基化氧化石墨烯溶液进行混合，利用金属离子与氨基之间的强相互作用力，将金属离子均匀分布于氧化石墨烯片层表面，然后将经干燥处理后的混合物置于家用微波炉中，在1000 W下微波处理2秒；在微波加热过程中，石墨烯吸收微波而被激发，瞬间产生高温，以一步法同时实现石墨烯的还原、氮元素的掺杂以及金属原子在石墨烯晶格中的嵌入。接着，利用北京同步辐射装置X射线吸收谱表征技术，对金属的单原子分布形式、金属原子价态、电子结构、配位结构（包括配位原子种类、配位数、键长等结构参数）进行了精细分析，并结合球差电镜证实了不同种金属（钴、铜、镍等）均以单原子形式分布于石墨烯晶格中。而且，相较于经传统法制备的金属单原子，经微波法合成的金属单原子的配位环境更加无序化，缺陷程度更高。经对比发现，钴原子材料可作为高效电催化剂应用于电解水产氢反应，其初始过电位趋近于0 mV，Tafle斜率为80 mV dec-1，并具有良好的电化学稳定性。该项工作为石墨烯基单原子电催化材料的合成以及金属负载量的提升提供了新的思路和有效途径，并为精确的构效关系研究和性能调控奠定了基础。 

发表文章： 

　　Huilong Fei, Juncai Dong, Imran Shakir, Yu Huang, Xiangfeng Duan, et al. Microwave‐Assisted Rapid Synthesis of Graphene‐Supported Single Atomic Metals. Advanced Materials, 2018, 30, 1802146.