石墨烯搭載單原子鐵催化劑的研究

陳 瓊，張錢友

（長(zhǎng)沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

石墨烯作為一種單層碳原子組成的二維材料，因其優(yōu)異的導(dǎo)電、熱導(dǎo)和力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)，將單原子催化劑與石墨烯結(jié)合，能夠極大地提高催化劑的效率和穩(wěn)定性。單原子催化劑指的是催化活性位點(diǎn)為單個(gè)金屬原子的催化劑，相比傳統(tǒng)催化劑，它們具有更高的原子利用率和更優(yōu)的催化性能[1]。其中，鐵作為一種豐富、廉價(jià)且具有良好催化性能的金屬，成為研究的熱點(diǎn)。在這方面，F(xiàn)e@Graphene（石墨烯搭載單原子鐵的復(fù)合材料）是一個(gè)具有代表性的例子。這種復(fù)合材料通過(guò)將單原子鐵（Fe）催化劑均勻分散在石墨烯表面，結(jié)合了鐵原子的高催化效率和石墨烯的優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)。Fe@Graphene 展示了在化學(xué)反應(yīng)中卓越的催化活性，尤其在提高反應(yīng)選擇性和效率方面表現(xiàn)出色。此外，F(xiàn)e@Graphene 的穩(wěn)定性和耐用性也優(yōu)于傳統(tǒng)的催化劑，這使其在環(huán)境處理、能源轉(zhuǎn)換和有機(jī)合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

1 石墨烯和單原子鐵催化劑的基本特性

1.1 石墨烯的特性

石墨烯，這種由單層碳原子以蜂窩狀排列構(gòu)成的二維材料，已經(jīng)在材料科學(xué)界引起了革命性的變化，主要?dú)w功于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。石墨烯最顯著的特點(diǎn)是其厚度僅為單個(gè)原子層，但它卻展現(xiàn)出令人驚嘆的物理強(qiáng)度。這一特性使得石墨烯成為一種極具吸引力的材料，尤其是在作為催化劑載體的領(lǐng)域中。石墨烯的高比表面積提供了更多的活性位點(diǎn)，這對(duì)于增強(qiáng)催化效率具有重要意義。此外，石墨烯的高導(dǎo)電性質(zhì)極大地增強(qiáng)了其作為電子傳輸媒介的能力，這在那些涉及電化學(xué)反應(yīng)的催化過(guò)程中顯得尤為關(guān)鍵。[2]石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性是其另一個(gè)關(guān)鍵特征，它保證了在各種化學(xué)環(huán)境下其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。同時(shí)，其卓越的機(jī)械強(qiáng)度確保了在催化反應(yīng)中的耐用性和可靠性。因此，石墨烯已經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用于多種催化體系中，其出現(xiàn)不僅為催化科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性，也帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。這種材料的研究和應(yīng)用正在不斷拓展催化劑的設(shè)計(jì)和制備邊界，為實(shí)現(xiàn)更高效、更具選擇性的催化反應(yīng)提供了新的方向。石墨烯的這些特性，尤其是其高比表面積和優(yōu)異的電子傳輸能力，使其在催化劑載體研究中占據(jù)了核心位置，為開(kāi)發(fā)新型高效催化劑提供了新的視角。

1.2 單原子鐵催化劑的特性

在催化劑的研究領(lǐng)域中，單原子鐵催化劑的出現(xiàn)無(wú)疑是一個(gè)重要的里程碑。與傳統(tǒng)的金屬納米粒子催化劑相比，單原子鐵催化劑由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性而顯示出更加優(yōu)異的催化活性和選擇性。在這種催化劑中，鐵原子以單原子形式存在，意味著每一個(gè)鐵原子都直接暴露于反應(yīng)環(huán)境中，與傳統(tǒng)催化劑中部分原子被內(nèi)嵌或遮蔽的情況形成鮮明對(duì)比。這種結(jié)構(gòu)特征使得鐵原子的每一個(gè)活性位點(diǎn)都可以直接參與到催化反應(yīng)中，從而極大地提高了催化劑的原子利用率和反應(yīng)效率。

此外，單原子鐵催化劑的電子結(jié)構(gòu)也極為獨(dú)特。由于其單原子特性，鐵原子與載體材料（如石墨烯）的相互作用導(dǎo)致了電子結(jié)構(gòu)的重新分布，這種電子環(huán)境的改變對(duì)催化過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移、能級(jí)匹配等方面具有重要影響。因此，單原子鐵催化劑不僅在催化活性上表現(xiàn)出色，其反應(yīng)的選擇性和特異性也得到了顯著提升。在化學(xué)反應(yīng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的反應(yīng)路徑控制和產(chǎn)品選擇性，這對(duì)于合成化學(xué)、環(huán)境處理、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

2 Fe@Graphene 復(fù)合材料的合成方法和結(jié)構(gòu)特性

2.1 合成方法

Fe@Graphene 復(fù)合材料的制備方法是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在這一領(lǐng)域中，物理吸附、化學(xué)吸附和原位生長(zhǎng)等方法被廣泛應(yīng)用。這些方法各有特點(diǎn)，但共同的目標(biāo)是在石墨烯表面均勻分散單原子鐵催化劑。

化學(xué)氣相沉積（CVD）方法是其中的佼佼者，它通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在高溫下將氣態(tài)的前驅(qū)體分解，從而在基底材料上沉積出目標(biāo)材料。在制備Fe@Graphene 時(shí)，通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力和氣體流速，可以實(shí)現(xiàn)鐵原子在石墨烯表面的均勻分散。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠控制沉積材料的厚度和均勻性，同時(shí)還能夠調(diào)整鐵原子的密度，從而優(yōu)化催化劑的性能。

原子層沉積（ALD）技術(shù)則提供了另一種制備途徑。與CVD 類似，ALD 也是一種化學(xué)氣相沉積技術(shù)，但它通過(guò)分步進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的沉積控制[3]。在每個(gè)循環(huán)中，一個(gè)化學(xué)前驅(qū)體被引入并與表面反應(yīng)，然后通過(guò)一種清洗過(guò)程去除多余的前驅(qū)體，最后引入另一個(gè)化學(xué)前驅(qū)體進(jìn)行下一步的反應(yīng)。這種逐層生長(zhǎng)的方法能夠精確控制材料的組成和結(jié)構(gòu)，尤其適合于單原子催化劑的制備，因?yàn)樗梢跃_控制每個(gè)原子的位置。

2.2 結(jié)構(gòu)特性

Fe@Graphene 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性是其催化性能的關(guān)鍵，這種材料將鐵原子與石墨烯結(jié)合，創(chuàng)建了一種具有獨(dú)特物理和化學(xué)特性的新型催化劑。為了深入理解這種復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，科研人員運(yùn)用了一系列先進(jìn)的表征技術(shù)，包括透射電子顯微鏡（TEM）、X 射線光電子能譜（XPS）和原子力顯微鏡（AFM）。這些技術(shù)不僅揭示了材料的微觀結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于優(yōu)化其催化性能提供了關(guān)鍵信息。

透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)在研究Fe@Graphene復(fù)合材料時(shí)發(fā)揮了重要作用，TEM 通過(guò)高能電子束透射樣品，生成的圖像能夠展現(xiàn)出原子級(jí)別的細(xì)節(jié)。在Fe@Graphene 的研究中，TEM 技術(shù)使科研人員能夠直觀地觀察到鐵原子在石墨烯表面的分布情況。單個(gè)鐵原子甚至鐵原子團(tuán)簇的位置和分布通過(guò)TEM 成像變得清晰可見(jiàn)。這種原子級(jí)別的分辨率對(duì)于了解催化劑的分散性和均勻性極其重要。通過(guò)觀察石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和表面缺陷，研究人員可以更好地理解鐵原子的分布和催化活性。例如，石墨烯表面的缺陷位可能會(huì)成為鐵原子的錨定點(diǎn)，從而影響其催化性能。

X 射線光電子能譜（XPS）技術(shù)則提供了關(guān)于復(fù)合材料表面化學(xué)狀態(tài)的深入信息，XPS 通過(guò)測(cè)量物質(zhì)表面被X 射線激發(fā)后發(fā)射出的光電子的能量來(lái)分析化學(xué)成分和電子態(tài)。在Fe@Graphene 復(fù)合材料的研究中，XPS能夠揭示鐵原子的氧化態(tài)，以及它們與石墨烯之間的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)。這些信息對(duì)于理解催化劑的活性及其在化學(xué)反應(yīng)中的作用機(jī)制至關(guān)重要。例如，XPS 分析可以確定鐵原子是以Fe^(2+)還是Fe^(3+)的形式存在，以及它們是通過(guò)哪種化學(xué)鍵與石墨烯相互作用的。

原子力顯微鏡（AFM）則為研究Fe@Graphene 復(fù)合材料提供了另一個(gè)維度的洞見(jiàn)，AFM 利用一個(gè)非常尖銳的探針掃描材料表面，從而生成表面的三維圖像。在Fe@Graphene 的研究中，AFM 可以用來(lái)觀察石墨烯表面的粗糙度以及鐵原子的聚集情況。這種三維形貌的觀察使研究者能夠在單原子層級(jí)別上精確地評(píng)估鐵原子在石墨烯表面的分布情況和密度。這一點(diǎn)對(duì)于催化劑的制備和性能優(yōu)化具有重要意義。通過(guò)AFM，研究人員能夠確定鐵原子的聚集趨勢(shì)，從而進(jìn)一步調(diào)整合成方法以達(dá)到更好的分散性和催化活性。表面的分布情況和密度對(duì)于優(yōu)化催化劑的制備工藝和提高其催化性能具有重要意義。

3 Fe@Graphene 在催化反應(yīng)中的應(yīng)用

3.1 Fe@Graphene 在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用

Fe@Graphene 復(fù)合材料在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用展現(xiàn)了其作為催化劑的卓越性能和多功能性。特別是在有機(jī)化學(xué)合成的過(guò)程中，F(xiàn)e@Graphene 的應(yīng)用極大地提高了反應(yīng)的效率，而且增強(qiáng)了對(duì)產(chǎn)物的精準(zhǔn)控制，這對(duì)于制藥和精細(xì)化工領(lǐng)域具有特別重要的意義。例如，在涉及氧化和還原的有機(jī)反應(yīng)中，F(xiàn)e@Graphene 能夠作為一個(gè)有效的電子轉(zhuǎn)移媒介，加速反應(yīng)的進(jìn)程。這一特性使得Fe@Graphene 在促進(jìn)某些復(fù)雜的有機(jī)反應(yīng)中顯示出非凡的能力，特別是那些需要精確控制氧化狀態(tài)的反應(yīng)[4]。在這些過(guò)程中，不僅反應(yīng)速率得到顯著提升，同時(shí)也能夠保持對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的高選擇性，這在制藥行業(yè)中尤為重要，因?yàn)樵S多藥物分子的合成需要嚴(yán)格控制化學(xué)反應(yīng)的條件和路徑以確保最終產(chǎn)品的純度和活性。另外，F(xiàn)e@Graphene 在促進(jìn)碳-碳鍵形成的反應(yīng)中也展示了其優(yōu)異的性能，這對(duì)于構(gòu)建復(fù)雜的有機(jī)分子框架至關(guān)重要。在有機(jī)化學(xué)中，碳-碳鍵的形成是構(gòu)建復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，而Fe@Graphene 通過(guò)其獨(dú)特的催化機(jī)制，能夠有效地催化這類反應(yīng)，使其在更溫和的條件下進(jìn)行，從而提高了整個(gè)合成過(guò)程的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。由于鐵原子在Fe@Graphene材料中展現(xiàn)出的高催化活性，以及石墨烯作為載體的高穩(wěn)定性和大的比表面積，使得這種復(fù)合材料在催化碳-碳鍵形成反應(yīng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和高選擇性。這不僅為合成復(fù)雜的有機(jī)分子提供了新的可能性，也為尋找更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的有機(jī)合成路徑提供了新的思路。

3.2 Fe@Graphene 在環(huán)境處理反應(yīng)中的應(yīng)用

在環(huán)境污染處理的領(lǐng)域中，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用展現(xiàn)了其在解決當(dāng)今嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題中的巨大潛力。具體來(lái)說(shuō)，在水體凈化方面，F(xiàn)e@Graphene 已經(jīng)成為一種高效且可靠的材料，用于去除有害化學(xué)物質(zhì)，包括重金屬離子和有機(jī)污染物。這種復(fù)合材料之所以在水處理領(lǐng)域如此有效，主要得益于其獨(dú)特的物理和化學(xué)屬性。其具有的大比表面積為污染物提供了廣闊的接觸面積，使得污染物更易于被吸附或與催化劑發(fā)生反應(yīng)。而Fe@Graphene 中單原子鐵的存在，則進(jìn)一步增強(qiáng)了其與污染物的相互作用，使其能有效地催化污染物的分解或轉(zhuǎn)化。例如，在去除水中的重金屬污染時(shí)，F(xiàn)e@Graphene 能夠有效地吸附并穩(wěn)定這些污染物，防止它們進(jìn)一步擴(kuò)散或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境造成損害。同時(shí)，對(duì)于有機(jī)污染物，如染料、農(nóng)藥等，F(xiàn)e@Graphene 通過(guò)催化氧化反應(yīng)，將這些難以降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的小分子物質(zhì)，從而凈化水體。在空氣凈化方面，F(xiàn)e@Graphene 同樣展示了顯著的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和城市化的發(fā)展，空氣污染已成為一個(gè)全球性的問(wèn)題，其中二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的排放尤為嚴(yán)重。Fe@Graphene 在這一方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在它能有效地催化分解這些有害氣體。通過(guò)催化氧化反應(yīng)，F(xiàn)e@Graphene 能將二氧化硫和一氧化碳等氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)害或危害更小的物質(zhì)，比如將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。這種轉(zhuǎn)化不僅減少了有害氣體對(duì)環(huán)境和人體健康的危害，而且有助于減少溫室氣體排放，對(duì)抗全球變暖。

3.3 Fe@Graphene 在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的應(yīng)用

在能源科學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料作為一種新興的催化材料，正日益成為可再生能源技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，尤其是在太陽(yáng)能和燃料電池的應(yīng)用中[5]。對(duì)于太陽(yáng)能電池，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其作為高效的光催化劑的角色，太陽(yáng)能電池的核心在于將光能轉(zhuǎn)化為電能，而Fe@Graphene 的高導(dǎo)電性能和優(yōu)異的光催化活性能顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)Fe@Graphene 用作光催化劑時(shí)，它能夠有效地吸收陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電子和空穴，這些電子和空穴的分離及轉(zhuǎn)移是提高太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵。此外，F(xiàn)e@Graphene 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)還能降低電荷重組率，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而不僅提升了電池的性能，也降低了太陽(yáng)能電池的制造成本，使之具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。在燃料電池方面，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用同樣顯得極為重要，燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它的工作效率和穩(wěn)定性在很大程度上取決于電極材料的性能。在這方面，F(xiàn)e@Graphene 作為電極材料，不僅因其高導(dǎo)電性能提高了電池的整體電化學(xué)性能，而且由于單原子鐵的存在，顯著提升了催化效率。特別是在氧還原反應(yīng)（ORR）和氫氧化反應(yīng)（HOR）等關(guān)鍵反應(yīng)中，F(xiàn)e@Graphene 能有效催化這些反應(yīng)的進(jìn)行，從而增加燃料電池的能源密度并提高其能效比。

4 結(jié)語(yǔ)

Fe@Graphene 作為一種新型的單原子催化系統(tǒng)，因它獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和卓越的催化性能，在化學(xué)反應(yīng)催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。Fe@Graphene 的研究還揭示了單原子催化劑與二維納米材料結(jié)合的巨大潛能，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)新的研究方向。未來(lái)，F(xiàn)e@Graphene的研究成果也將推動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)向更高效、環(huán)保和可持續(xù)的方向發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。總之，F(xiàn)e@Graphene 的未來(lái)研究和應(yīng)用前景令人充滿期待，它的發(fā)展將是材料科學(xué)和催化化學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要里程碑。