近年來電解水制氫受到廣泛關(guān)注，尋找能替代貴金屬的廉價高效的電催化劑成為當(dāng)下研究熱點。石墨烯由于具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性以及易于化學(xué)修飾等優(yōu)點，引起了科研人員的廣泛關(guān)注，人們致力于將其發(fā)展成為高活性的電解水制氫催化劑。

已有研究結(jié)果表明通過氮等雜原子摻雜可以調(diào)控雜原子近鄰碳原子的電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)該碳原子活性位點與反應(yīng)中間體的吸附作用，進(jìn)而提高石墨烯等碳基材料的電催化析氫性能，然而傳統(tǒng)的吡啶、吡咯和石墨型氮摻雜模式對于石墨烯等碳基催化劑的性能調(diào)控，效果不佳，與報道的高活性的金屬基催化劑相比仍有很大的差距。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員通過密度泛函理論計算（DFT）揭示在一個石墨烯晶格六元環(huán)內(nèi)進(jìn)行雙石墨型氮摻雜可以顯著改變材料中碳原子（與兩個氮原子結(jié)合的碳原子）的電子結(jié)構(gòu)，降低碳活性位點的ΔGH*值至非常接近于0eV，有望進(jìn)一步提高碳基材料的析氫催化活性。該研究采用金屬有機(jī)框架化合物Cu-BTC作為前驅(qū)體，通過煅燒和溶劑熱處理得到類石墨烯粒子聚集體，經(jīng)CV循環(huán)后，其酸性電催化析氫性能逐漸提高，達(dá)到最優(yōu)值時，在10mA/cm2電流密度下其過電位僅為57mV，塔菲爾斜率為44.6mV/dec，顯示出與已報道的高活性金屬基催化劑和Pt/C催化劑可比的電催化析氫性能。紅外光譜、X射線光電子能譜、X射線近邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)和固態(tài)核磁共振的表征結(jié)果表明該碳基材料形成了雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環(huán)的新結(jié)構(gòu)，與兩個相鄰的石墨型氮鍵合的碳原子是催化活性位點，該鍵合方式有利于增強(qiáng)H在C活性位點上的吸附，從而提高催化活性。

研究成果以DualGraphitic-NDopinginaSix-MemberedC-RingofGraphene-AnalogousParticlesEnablesanEfficientElectrocatalystfortheHydrogenEvolutionReaction為題在線發(fā)表在國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew.Chem.Int.Ed.DOI:10.1002/anie.201908210）。

中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料系教授陳乾旺為論文通訊作者，中國科大博士研究生林志宇和博士后楊陽為論文共同第一作者。合肥同步輻射國家實驗室、上海同步輻射光源和合肥穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場中心對于實驗結(jié)果的表征分析提供了重要的幫助，該研究得到國家自然科學(xué)基金等的資助。

雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環(huán)結(jié)構(gòu)的電催化析氫反應(yīng)示意圖及吉布斯自由能計算結(jié)果[圖中黑色小球代表碳原子，藍(lán)色小球代表氮原子，與兩個石墨型氮原子相連的碳原子是電催化析氫活性位點，相關(guān)吉布斯自由能計算結(jié)果給出雙石墨型氮摻雜于一個石墨烯晶格六元環(huán)的結(jié)構(gòu)(2-GraphiticN)的ΔGH*為0.01eV.]