电解水制氢是一种洁净、高效的能源转换技术，而析氢电催化剂是决定制氢效率的一个关键因素。然而，当前高效的制氢催化剂主要采用贵金属（如铂、钌等）材料，价格高昂、储量稀缺等问题严重限制了电解水制氢技术的规模化应用。因此，发展廉价、高性能的非贵金属催化剂成为该技术的前沿热点。筑波大学的Tadafumi Adschiri教授研究团队成功地合成了一种氮掺杂多孔石墨烯修饰的三维镍钼（NiMo）合金复合电极材料，展现出了与商用的贵金属催化电极Pt/C相当的催化产氢效能，且具备了良好的耐酸性。研究人员首先通过化学还原法将镍钼氧化物（NiMoO4）和二氧化硅（SiO2）纳米颗粒混合物进行高温还原，制备出了SiO2¬纳米颗粒负载的多孔NiMo合金复合材料；接着通过化学气相沉积方法在多孔NiMo合金表面沉积一层带有纳米孔洞的多孔氮掺杂石墨烯薄膜。研究显示NiMo合金表面的SiO2纳米颗粒作为骨架有效地阻止了合金孔洞界面处石墨烯的进一步生长，从而获得了多孔石墨烯。由此，研究人员通过调整SiO2纳米颗粒的负载量（10-5到10-1wt％质量分数）优化了石墨烯孔的尺寸。电化学测试结果显示，在0.5摩尔的硫酸溶液中，无孔石墨烯薄膜完全覆盖的NiMo催化电极多催化过电位为114 mV，催化转化频率为0.8 H2/s，经过1000次循环后催化电流降至初始的39%；而多孔石墨烯修饰的NiMo合金催化电极过电位仅为30 mV，催化转化频率为1.3 H2/s，经过1000次循环后催化电流可维持初始的68%，达到了商用的Pt/C催化电极相当的催化性能，即多孔石墨烯修饰的NiMo合金催化电极具备更加优异的催化活性和稳定性。通过密度泛函理论研究，多孔石墨烯修饰的NiMo合金催化电极拥有更加优异性能的原因在于多孔石墨烯改善了电荷转移，有利于H原子的吸附；另外多孔石墨烯的纳米孔与NiMo合金表面之间的相互作用，有效调整局部电子结构，导致H原子吸附的吉布斯自由能接近零，有助于析氢反应化学过程进行；且这种多孔石墨烯薄膜可以充当保护膜有效减轻NiMo合金催化剂被酸性电解质腐蚀，增强了催化稳定性。该项研究设计合成了新型多孔石墨烯包覆的镍钼合金复合催化电极，一方面改善了催化活性，另一方面增强了催化材料耐酸性提升循环稳定性，实现了高效稳定地光解水产氢。相关研究成果发表在《ACS Catalysis》 。
