石墨烯負載單原子由于在催化、電子學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域具有潛在生物應(yīng)用，近年來受到研究者的廣泛關(guān)注，而行之有效的合成方法是探索和實現(xiàn)單原子優(yōu)異性能的前提條件。目前，石墨烯單原子普遍采用熱裂解方法制備，該方法不僅耗時耗能，還極易導(dǎo)致單原子在高溫處理過程中發(fā)生團聚。因而，高效、簡單、快速合成單原子的方法仍然存在巨大挑戰(zhàn)。

有鑒于此，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的段鑲鋒課題組、黃昱課題組以及沙特阿拉伯國王大學(xué)的Imran Shakir課題組提出了采用微波加熱技術(shù)來快速（2秒）制備多種石墨烯負載的單原子（包括鈷、銅、鎳等金屬）。

圖1.微波法合成石墨烯負載單原子的示意圖

研究人員首先將金屬鹽與氨基化氧化石墨烯溶液進行混合，利用金屬離子與氨基之間的強相互作用力，將金屬離子均勻分布于氧化石墨烯片層表面，然后將經(jīng)干燥處理后的混合物置于家用微波爐中，在1000 W下加熱2 s；在微波加熱過程中，石墨烯吸收微波而被激發(fā)，瞬間產(chǎn)生高溫，以一步法同時實現(xiàn)石墨烯的還原、氮元素的摻雜以及金屬原子在石墨烯晶格中的嵌入。

圖1中拉曼光譜（Raman）、X射線衍射圖譜（XRD）以及X射線光電子能譜（XPS）等結(jié)構(gòu)表征顯示，微波處理有效地去除了氧化石墨烯表面的含氧基團，同時減少了石墨烯表面的缺陷，并實現(xiàn)了氮元素的摻雜。

圖2.石墨烯負載鈷單原子的形貌及原子結(jié)構(gòu)表征

球差矯正電鏡和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（圖2）顯示，鈷金屬以單原子形式均勻分布于石墨烯基片上，且化合價態(tài)為≈+1。研究發(fā)現(xiàn)，以微波法合成的金屬單原子相比于經(jīng)傳統(tǒng)熱解法合成的石墨烯負載MN4C4型單原子（Nat. Catal., 2018, 1, 63）的周邊配位環(huán)境更加無序化，缺陷程度更高。

圖3.石墨烯負載鎳、銅單原子的原子結(jié)構(gòu)表征

除了石墨烯負載鈷單原子之外，研究者還將微波加熱法進行了拓展，成功合成了石墨烯負載鎳單原子和銅單原子(圖3)，證明了該方法的普適性。

圖4.石墨烯負載鈷原子作為高效析氫催化劑

電化學(xué)測試表明，石墨烯負載鈷原子在酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的產(chǎn)氫（HER）活性，其初始過電位趨近于0 mV，Tafel斜率為80 mV？dec-1（圖4）。同時，該催化劑具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。

總之，該工作利用微波加熱法，開發(fā)了一種快速、高效、簡單且具有普適性的石墨烯負載單原子合成方法，為石墨烯負載單原子在催化領(lǐng)域以及其它相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和探索提供了有效的合成途徑。這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是加州大學(xué)洛杉磯分校的博士后費慧龍（現(xiàn)已入職湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）和中國科學(xué)院高能物理研究所的研究員董俊才。

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