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《用牺牲金属催化剂直接在绝缘子上生成无迁移、无岩性、快速生长的模式CVD石墨烯》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2018-07-03

  • 化学气相沉积的石墨烯存在两个问题:从金属催化剂转移到绝缘体，以及在形成过程中光刻胶引起的降解。两者都导致宏观和微观的损害，如孔洞、撕裂、掺杂和污染，转化为性质和产量下降。我们试图同时解决这些问题。在二氧化硅上蒸发镍薄膜作为牺牲催化剂，在其表面生长石墨烯。一种聚合物(PMMA)支撑被包裹在石墨烯上。在镍湿浸蚀过程中，浸蚀剂可以渗透聚合物，使蚀刻效率提高。PMMA/石墨烯层通过控制镍膜在石墨烯生长过程中的表面形态而固定在基片上。在蚀刻之后，石墨烯自然地附着在绝缘衬底上。利用该方法实现了石墨烯的无转移、无结石和快速生长。整个实验具有较好的重复性和可控性。与石墨烯在基体之间的转移相比，这里不需要机械操作，导致最小的损伤。由于镍的存在，石墨烯的质量本质上优于无催化剂生长。控制镍的厚度和生长温度，以限制石墨烯层的数量。该技术可以扩展到与其他催化剂一起生长其他二维材料。

    ——文章发布于2018年6月28日

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    • 编译者：guokm
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    • 编译者：王晓丽
    • 发布时间：2023-11-28
    • 作为一种可燃燃料，氢气的燃烧不会导致全球变暖。然而，目前大部分氢气是由化石燃料产生的，这一过程会向大气中释放温室气体。利用清洁能源生成氢气，例如通过电解用电分裂水分子，对于实现未来的碳中和非常重要，但目前的方法效率低下，限制了氢基技术的商业实用性。 一种新型电催化剂利用增强的电化学活性、反应表面积和耐久性，提高了通过电解生产氢气的效率。 马来西亚厦门大学纳诺能源与催化技术卓越中心（CONNECT）的研究人员合成并鉴定了一种高效、耐用的水电催化剂，它由过渡金属二卤化二硫化钨（WS2）组成，是一种具有半导体特性的二维材料，可在电解反应中充当电子受体或供体。 电催化剂 WS2/N-rGO/CC 是在碳布（CC）上制成的，碳布与还原氧化石墨烯（rGO）（一种二维晶格半导体）结合在一起，并加入极少量的氮（N）以改变还原氧化石墨烯半导体的特性。水热反应将二维的 WS2 转化为微观的三维花状结构，即纳米花，从而增加了电催化剂的表面积，提高了反应效率。 研究小组在《纳米研究》（Nano Research）杂志上发表了他们的研究成果。 "合成一种用于水分解中氢进化反应的自支撑电极至关重要，因为它解决了清洁能源生产中的一个基本挑战。传统方法通常依赖昂贵的催化剂和支撑物，这会限制制氢的效率和可扩展性。论文第一作者、位于马来西亚雪兰莪州的厦门大学马来西亚分校能源与化学工程学院研究生叶锋明说："我们的工作取得了重大进展，创造出了一种自支撑电极，不仅提高了电催化活性，还为制氢提供了一种具有成本效益的可持续解决方案。 由于电催化剂的活性物质二硫化钨直接与电极的导电材料结合，因此 WS2/N-rGO/CC 被认为是一种自支撑电极。合成的电催化剂中没有聚合物粘合剂或添加剂，不会掩盖催化剂活性位点或降低电子传导性，从而最大限度地提高了反应效率。 研究团队尝试在最终的水热合成反应中加入不同量的二甲基甲酰胺（DMF），以确定电极中 WS2 首选金属 1T 相变的最佳浓度。在最后的水热反应中，使用50%浓度的DMF水溶液（50% WGC）开发出的电极，与使用0%、25%、75%和100%的DMF溶液合成的电极相比，具有更优越的特性。 "我们的电极能在广泛的 pH 值条件下高效产生氢气，使其具有广泛的用途，适用于各种实际应用。该项目的导师、厦门大学马来西亚分校能源与化学工程学院副教授王维俊（Wee-Jun Ong）说："这是向可持续和高效制氢迈出的一步，而可持续和高效制氢对未来清洁能源的发展至关重要。 重要的是，50% WGC 电催化剂在酸性和碱性条件下的 HER 性能均优于铂基准电催化剂 20% Pt-C/CC。具体来说，50% WGC 的过电位（即分裂水所需的能量）低于 20% Pt-C/CC。50% WGC 的过电位为 21.13 mV，而 20% Pt-C/CC 的过电位为 46.03 mV。 研究小组认为，要实现世界清洁能源目标，就必须使用像 50% WGS 这样更具成本和能源效率的电催化剂。"我们的目标是探索自支撑电极技术的可扩展性和实际应用。我们的最终目标是促进向可持续能源格局的过渡，在这一格局中，氢气作为一种清洁的可再生能源可以发挥至关重要的作用，"Ong 说。 来自马来西亚雪兰莪州厦门大学能源与化学工程学院和纳诺能源与催化技术卓越中心（CONNECT）的 Jian Yiing Loh 也为这项研究做出了贡献。这项研究是马来西亚国家政策（即国家能源转型路线图（NETR）和氢经济与技术路线图（HETR））的一部分，旨在促进马来西亚未来五年的可持续能源发展。 参考文献：Feng Ming Yap et al, Synergistic integration of self-supported 1T/2H?WS2 and nitrogen-doped rGO on carbon cloth for pH-universal electrocatalytic hydrogen evolution, Nano Research (2023). DOI: 10.1007/s12274-023-6118-8
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