如果氫氣可以以高密度安全儲存和運輸，氫燃料電池將為車輛提供有效的解決方案。 在這方面，原子氫在單層石墨烯（SLG）上的穩定化學吸附似乎是一個完美的解決方案，其理論最大存儲容量為 7.7 wt%。 然而，從H
2生成氫化石墨烯需要極端的溫度和壓力。或者氫吸附原子可以在溫和的條件下通過固/液系統中質子的電還原輕松產生。石墨烯對于該反應是電化學惰性的，但正如我們使用動態電化學和同位素拉曼光譜所證明的那樣，SLG上的H化學吸附可以通過新型Pt電催化的“溢出-表面擴散化學吸附”機制在溫和條件下進行。 SLG 上氫吸附原子在室溫和大氣壓下的表觀表面擴散系數（~10
−5cm
2s
−1）、容量（~6.6 wt%，~85.7% 表面覆蓋率）和穩定性非常重要，它們非常適合涉及在石墨烯上存儲氫原子的應用。
圖 1. Pt 電催化原子氫在單層石墨烯上的吸附和解吸。 (a) Pt/SLG/PET 電極（紅色；每 20 個伏安循環顯示一個 CV）、Pt/PET 電極（藍色）和 SLG/PET 電極（灰色）在 0.5 M H
2SO
4 溶液中以 100 mV/s 的循環伏安圖。 SLG 薄片的尺寸為 2.1 mm × 1.8 mm。(b) Pt/SLG/PET 電極上的電催化溢出-表面擴散-化學吸附機制的示意圖。
圖 2. 電沉積氫吸附原子表面擴散行為的定量測量。(a) 在不同掃描速率下進行的活化 Pt/SLG/PET復合電極的循環伏安法。 (b) H
ad脫附電荷與掃描速率平方根的倒數之間的線性關系。 (c)活化的Pt/SLG/PET復合電極的計時電流法。電極電位保持在0.10 V為0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 2.5, 3,4,5, 6, 7 , 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 40, 60, 80, 100, 和 120 s（從左到右），然后漸進到 0.7 V。 (d) 最短 [0.2∼2 s ] 保持時間范圍內的電荷與時間的平方根。 (e)單獨Pt微線電極（紅色）、SLG/PET電極（灰色）和 Pt/SLG/PET 系統（藍色）的開路電位。 (f) Pt/SLG/PET組件在測量開路電位之前在 30、60、120 和 180 秒期間保持在0.10 V后的開路電位與時間的關系圖。 SLG 薄片的尺寸為 4 mm × 4 mm。
圖 3. 在石墨烯上形成 C-H 吸附化學鍵的光譜證據。 原始石墨烯的非原位拉曼光譜（藍線），電化學活化石墨烯在 1194 cm
-1 處顯示出 C−H 帶（紅線），以及超薄 HOPG 上的氘取代實驗，在 863 cm
-1處顯示出 C−D 帶（灰線）。
圖 4. H
ad的SLG的表觀表面擴散系數D隨溫度變化的阿倫尼烏斯圖。通過在0.5 M H
2SO
4 溶液中對Pt/SLG/PET組件執行循環伏安法確定值。誤差棒表示標準偏差。
相關科研成果廈門大學Lianhuan Han、Christian Amatore和Dongping Zhan等于2021年發表在Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.1c05253）上。原文：Electrochemical Storage of Atomic Hydrogen on Single Layer Graphene。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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