日本的金泽大学、东北大学、大阪大学和筑波大学组成的联合研发小组，从数学角度设计了由单层碳原子构成的石墨烯边缘构造，并通过在石墨烯的边缘结构中化学掺杂氮（N）和磷（P），有目的地形成了几何变形，同时还证实，拥有化学掺杂边缘结构的石墨烯具有很高的氢生成能力。
图1：化学掺杂石墨烯边缘结构的制作方法概略图
氢作为能源载体不排放二氧化碳、能取代固体燃料的新一代清洁能源备受期待，尤其是在燃料电池车领域的应用。但目前其应用和实用化方面还存在尚未解决的课题，即确立一种新的生产技术，可以利用能低成本大量制氢的电极催化剂取代通常使用的高价贵金属铂。
此次，联合研发小组确立了在石墨烯边缘有目的地化学掺杂氮和磷的技术，在此基础上，利用全球屈指可数的最尖端高分辨率电化学显微镜技术“纳米电化学单元显微镜”和DFT（密度泛函理论）计算等发现，通过设计的石墨烯边缘结构与化学掺杂的乘积效应，能大幅增强氢生成反应。获得的结果与使用高价贵金属铂接近，由此在全球首次证实，非金属元素的化学掺杂和边缘结构等原子结构有助于提高电极的反应性能。
图2（左）：利用透射电子显微镜拍摄的开口石墨烯的边缘结构和原子图像，以及利用元素成像法实现的各元素在同一区域的分布图像
以此次的研究为起点，结合可再生能源电力和仅利用非金属构成的电极，有望开发出没有环境负荷的制氢技术。同时，从数学角度设计的材料表面结构和化学掺杂状态的控制等还有助于探索、设计和开发新一代物质，有望实现不使用金属的低成本制氢技术，成为打造氢社会的研究基础。
图3（左）：利用恒电位仪和循环伏安法对氢生成反应进行测量的结果。
相关论文已于4月1日发表在约翰威立出版社发行的《Advanced Science》的网络版上。（日文发布全文）
文：JST客观日本编辑部
