“但我们发现，和在其他催化领域如光催化、电催化相比，石墨烯基催化剂在热催化领域的发展十分缓慢。”1月14日，中国科学院理化技术研究所（以下简称理化所）研究员张铁锐在接受采访时，对《中国科学报》记者说。

　　科研人员发现，很多理论预测表明，石墨烯基催化剂在热催化中会有很好的性能，却很少有相关工作能够实现。

　　“通过详细的实验研究，我们发现，这可能是由于两大主要问题导致的。”张铁锐表示，他带领理化所的科研人员与美国加州大学河滨分校殷亚东教授不仅找到了问题所在，还给石墨烯安上了“莲蓬头”，从而保证了催化剂的稳定性与活性。

　　让石墨烯“布料”不搓团

　　石墨烯的厚度只有0.34纳米，即使将十万层石墨烯叠加在一起，厚度也只相当于一根头发丝的直径。这就是张铁锐带领团队开展工作的平台。

　　石墨烯基催化剂在热催化领域发展缓慢的两大原因同样也是其固有缺点。

　　“石墨烯纳米片之间的强π—π相互作用力使催化剂团聚严重从而遮蔽了大量活性位点。”张铁锐解释其中一个问题。

　　另一个问题为，石墨烯与其表面负载的纳米催化剂之间作用力较弱，使得负载的纳米催化剂颗粒容易发生迁移、团聚长大从而降低甚至失去催化活性。

　　张铁锐将石墨烯比喻为柔软的布料。如果将布料随意放着，就容易揉团。石墨烯基材料的特点通常是基于石墨烯较大的表面积以及特殊的电子效应。

　　介于以上两大难题，这些性质在热催化领域无法体现，大大限制了石墨烯的应用。

　　对于石墨烯基催化剂而言，保持单层石墨烯的良好分散性是解决其未来应用的重要前提。尤其为了提高催化活性，对催化剂的活性位点进行适当的保护显得尤为重要。

　　如何在又细又柔软的石墨烯上将催化剂颗粒摆放整齐，同时还能保证催化剂活性不丧失？

　　“因此，我们采用介孔二氧化硅对石墨烯进行保护，利用二氧化硅片层在微米尺寸上稳定石墨烯，同时利用介孔在纳米尺寸稳定纳米催化剂颗粒，从而得到高稳定的石墨烯基催化剂。”张铁锐说。

　　这就相当于，将二氧化硅片层看作两块木板，将石墨烯“布料”平铺压在其间，这自然就使得“布料”不搓团。“也很像三明治结构。”

　　固定纳米催化剂颗粒

　　2010年，张铁锐作为引进人才加入理化所。从那时起，他就与殷亚东课题组联合研发这一课题。

　　一直以来，双方都在二氧化硅材料方面进行了长期研究。“基于此，我们想到，这种廉价、热稳定的二氧化硅材料可成为稳定石墨烯的优先选择。”他说。

　　石墨烯与金属纳米颗粒互相之间能够互补从而具有更高的催化效率。在工业应用中，不少金属纳米催化剂都以贵金属为原料，例如燃料电池中就会使用铂。催化剂高昂的成本使得如何保证其高活性成为一个重要的问题。

　　张铁锐与团队一度遭遇的难题是，纳米催化剂好比是一颗颗扣子，如果不想办法固定在“布料”上，很容易四处滑动、碰撞。

　　如果选用实心二氧化硅结构，虽然对纳米催化剂可起到保护作用，但由于孔道过于狭小，必然会遮蔽催化剂的活性位点，导致催化剂活性下降。

　　另外，在一定催化反应条件下，纳米催化剂颗粒之间就像冰激凌球融化后之间黏连，同样致使催化剂效率降低。

　　“莲蓬给了我们很好的启示。”张铁锐说。催化剂就好像是莲蓬中的莲子，这些小小的颗粒既可以暴露又固定在莲蓬头的小孔中，想要达到的效果都有了：在抑制纳米颗粒团聚的基础上同时保证其高活性。

　　相关研究结果以“热点文章”形式发表在国际化学领域顶级期刊《德国应用化学》，并被选为当期“内封面”向读者重点推荐。

　　国际著名科学媒体Materials Views以A robust graphene-supported catalyst为题，对该研究进行亮点点评。其认为，这种石墨烯模板和“介孔二氧化硅封装保护”策略的组合提供了一个健壮的开发高稳定工业相关催化剂的平台。

　　“科学研究始终应以应用为最终导向。”张铁锐对此非常肯定。这项研究提供了一个高稳定性的石墨烯/金属复合催化剂平台，为进一步探索其催化性能提供了基础，解决了其走向实际应用中的主要难题之一。

　　“我们正在考虑针对一些具有重要工业应用价值的催化反应对石墨烯/金属复合催化剂的组成、尺寸及各种可能影响因素进行优化。期望得到具有最好性能的催化剂材料，并推广于应用。”他说。

　　（原载于《中国科学报》 2014-01-21 第5版 创新周刊)