隨著全球能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展需求的日益迫切，開發(fā)高效、穩(wěn)定的電催化劑成為能源轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)（如燃料電池、金屬-空氣電池、水電解制氫等）的核心挑戰(zhàn)之一。在此背景下，南洋理工大學(xué)張華教授課題組在石墨烯基貴金屬納米復(fù)合材料的設(shè)計、可控合成及其電催化應(yīng)用方面取得了一系列重要研究進(jìn)展，為下一代高性能電催化材料的開發(fā)提供了新思路。

石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、巨大的比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是構(gòu)建高性能復(fù)合催化劑的理想基底材料。純石墨烯本身的催化活性有限。張華課題組的研究重點(diǎn)在于通過精妙的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，將貴金屬（如鉑、鈀、金、銀及其合金）納米顆粒、納米線、納米片或原子簇可控地負(fù)載或錨定在功能化石墨烯表面，從而構(gòu)建出具有協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的復(fù)合材料。

課題組在材料合成方法學(xué)上實現(xiàn)了創(chuàng)新。他們發(fā)展了多種原位生長、自組裝、電化學(xué)沉積及界面工程策略，實現(xiàn)了貴金屬納米組分在石墨烯上的均勻分散、尺寸與形貌的精準(zhǔn)調(diào)控，以及兩者之間強(qiáng)耦合界面的構(gòu)筑。例如，通過調(diào)控反應(yīng)動力學(xué)，成功制備出超小尺寸、高密度分布的鉑納米顆粒錨定在氮摻雜石墨烯上，極大地提高了貴金屬的原子利用率和催化活性位點(diǎn)密度。

在電催化應(yīng)用方面，這些石墨烯基貴金屬納米復(fù)合材料展現(xiàn)出了卓越的性能。

1. 氧還原反應(yīng)（ORR）：針對燃料電池陰極反應(yīng)動力學(xué)緩慢的問題，課題組設(shè)計的鉑基/石墨烯復(fù)合材料，通過石墨烯的高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，同時利用界面效應(yīng)優(yōu)化鉑對氧中間產(chǎn)物的吸附能，顯著提升了ORR活性和穩(wěn)定性，部分材料的性能已超越商業(yè)鉑碳催化劑。
2. 氫氧化反應(yīng)（HOR）與析氫反應(yīng)（HER）：在堿性介質(zhì)中，貴金屬催化劑的HOR活性通常較低。課題組通過構(gòu)建鈀-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)了氫吸附能，提升了堿性HOR性能。對于HER，超細(xì)鉑簇/石墨烯復(fù)合材料在寬pH范圍內(nèi)均表現(xiàn)出低過電位和高穩(wěn)定性。
3. 醇類氧化反應(yīng)：在直接醇類燃料電池中，課題組開發(fā)的金-鉑合金納米枝晶/石墨烯復(fù)合材料，對甲醇、乙醇的電氧化表現(xiàn)出更高的活性和更強(qiáng)的抗中毒能力，這得益于石墨烯提供的導(dǎo)電通道和合金組分的電子結(jié)構(gòu)調(diào)整。
4. 其他反應(yīng)：相關(guān)材料設(shè)計理念也被成功應(yīng)用于析氧反應(yīng)（OER）、二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）等，展現(xiàn)了材料平臺的普適性。

張華課題組的研究不僅停留在材料合成與性能表征，還深入結(jié)合理論計算與原位表征技術(shù)，從原子/電子層次揭示了石墨烯與貴金屬之間的界面電荷轉(zhuǎn)移、應(yīng)變效應(yīng)以及協(xié)同催化機(jī)制，為理性設(shè)計催化劑提供了理論基礎(chǔ)。

該領(lǐng)域的研究趨勢將更加注重：

• 貴金屬用量的進(jìn)一步降低與替代：向單原子催化劑、核殼結(jié)構(gòu)或與非貴金屬復(fù)合方向發(fā)展。
• 多維石墨烯結(jié)構(gòu)的利用：如三維多孔石墨烯氣凝膠，以增強(qiáng)傳質(zhì)和暴露更多活性位點(diǎn)。
• 面向?qū)嶋H器件的一體化電極設(shè)計：將高性能粉體材料轉(zhuǎn)化為可直接應(yīng)用的自支撐電極。
• 復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性與機(jī)理研究：特別是在大電流密度和長時間運(yùn)行條件下的衰減機(jī)制與強(qiáng)化策略。

南洋理工大學(xué)張華課題組在石墨烯基貴金屬納米復(fù)合材料用于電催化領(lǐng)域的研究，通過跨尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控，深刻理解了材料構(gòu)效關(guān)系，推動了高效、耐用電催化劑的發(fā)展，對清潔能源技術(shù)的進(jìn)步具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。