頂著鋼盔「保媒拉縴」的催化劑

我們初中都學過雙氧水在二氧化錳催化作用下生成氫氣和氧氣的過程，同時學習了催化劑的概念。在化學反應里能改變反應物質的化學反應速率，不改變化學平衡，本身的質量和化學性質在化學反應前後都沒有發生改變的物質叫催化劑（也叫觸媒）。藉助於催化劑的作用，可以改變反應途徑，縮短反應時間，增加目標產物的選擇性等。催化劑就好比中國傳統婚姻嫁娶中的「媒人」，儘管一對男女，郎有情妾有意，心意相通，也需要「媒人」來牽線搭橋，促成這樁婚姻。催化劑在化學反應里也有此功效。

在燃料電池領域，科學家們一直探索用廉價的金屬代替貴金屬作催化劑，金屬鐵被認為最有希望代替鉑作為燃料電池催化劑，但由於鐵化學性質活潑，導致其很容易被「傷害」，壽命大打折扣，使燃料電池催化劑非貴金屬替代進入了瓶頸。

催化劑與反應好比鑰匙與鎖的關係，如果催化劑這把鑰匙被弄壞了，那就無法開啟反應的大門了。因此如何保護催化劑不被破壞就顯得尤為重要。但是很多時候在保護催化劑的同時，影響了催化劑的正常工作，也妨礙了反應的正常進行。那怎樣才能兩者兼顧呢？

中國科學院大連化學物理研究所的科研人員想到了古代士兵作戰時的鎧甲。士兵們身披鎧甲，刀槍不入、所向披靡，堅固的鎧甲保證了士兵的持續作戰能力。為了保證催化劑不被「傷害」，研究人員給催化劑也穿上了鎧甲，他們創造性地將金屬鐵納米粒子封裝到由石墨烯捲曲形成的豆莢狀碳納米管的管腔中，通過表徵可以觀察到金屬鐵的活性電子通過與石墨烯的碳原子相互作用而「穿過」石墨烯，富集在石墨烯外表面的電子直接催化分子氧的還原反應。這樣，通過給容易「受傷害」金屬鐵納米粒子「穿」上了一副由石墨烯製成的「鎧甲」，而鐵原子的活性電子猶如士兵的雙手一樣可以在「鎧甲」外自由活動，完成催化氧分子的還原反應，進而實現燃料電池在酸性環境中的穩定運行，顯著提高了其在實際運行中的抗傷害能力。

石墨烯「鎧甲」催化劑示意圖

實驗和理論研究進一步證實，包裹納米金屬鐵的石墨烯層阻斷了反應氣體與鐵納米粒子的直接接觸，從原理上避免了活性金屬鐵納米粒子的深度氧化，以及反應氣氛中其它有害組分對催化劑的毒化，從而從根本上解決了納米金屬鐵作為燃料電池陰極催化劑的穩定性難題。

在此基礎上，研究人員通過合成方法的創新，目前已可以有效控制「鎧甲」的種類、厚度、雜原子的含量，以及金屬內核的組成、種類、尺寸等關鍵因素，從而使由石墨烯等二維材料組成的「鎧甲」具有不同的催化特性，在許多催化體系如電解水制氫、二氧化碳轉化、太陽能電池、鋰空氣電池、合成氣轉化等多個能源轉化重要領域都有很好的應用前景。相信通過製備技術的進一步優化，穿「鎧甲」的催化劑走向實用不再遙遠。

作者：姜秀美

來源：中國科學院大連化學物理研究所