由加州大学圣克鲁兹分校的化学和生物化学教授ShaoweiChen领导的研究人员一直在研究使用碳基纳米结构材料作为从水中产生氢的反应的催化剂。在最近的一项研究中，他们通过将钌离子结合到由氮化碳组成的片状纳米结构中获得了良好的结果。通过将掺钌的氮化碳与石墨烯(片状碳)组合以形成层状复合材料，进一步提高了性能。

“这些纳米结构材料中钌与氮的键合化学在高催化性能中起着关键作用，”Chen说。“我们还发现催化剂的稳定性非常好。”

新发现发表在ChemSusChem上，这是一本涵盖可持续化学和能源材料的顶级期刊，该论文刊登在1月10日的封面上。第一作者陈鹏实验室的研究生易鹏领导了这项研究并设计了封面图像。

氢作为清洁和可再生燃料长期以来一直很有吸引力。例如，为电动车辆提供动力的氢燃料电池仅发出水蒸气。然而，目前，氢气生产仍然严重依赖于化石燃料(大多数使用蒸汽从天然气中提取)。寻找一种通过电解从水中提取氢气的低成本，高效方法将是一项重大突破。来自太阳能和风能等可再生能源的电力，如间歇性和不可靠，可以很容易地作为氢燃料储存和分配。

目前，用于从水产生氢的电化学反应的最有效催化剂基于铂，这是稀缺且昂贵的。碳基材料已显示出前景，但其性能尚未接近铂基催化剂的性能。

在陈氏实验室开发的新型复合材料中，嵌入氮化碳纳米片中的钌离子改变了基质中电子的分布，为质子结合产生氢气创造了更多的活性位点。在结构中添加石墨烯进一步增强了电子的重新分布。

“石墨烯与氮化碳纳米片形成夹层结构，导致电子进一步重新分布。这使我们的质子还原效率更高，”陈说。

据作者报道，该复合材料的电催化性能与商业铂催化剂相当。然而，Chen指出，研究人员在实现廉价高效的氢生产方面仍有很长的路要走。

除了Peng和Chen之外，该研究的共同作者还包括加州大学圣克鲁兹分校的WanzhangPan和Jia-EnLiu以及华南理工大学的NanWang。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国宇航局资助的MercedNanomaterials能源与传感中心的支持。