日本的金澤大學、東北大學、大阪大學和築波大學組成的聯合研發小組，從數學角度設計了由單層碳原子構成的石墨烯邊緣構造，並透過在石墨烯的邊緣結構中化學摻雜氮（N）和磷（P），有目的地形成了幾何變形，同時還證實，擁有化學摻雜邊緣結構的石墨烯具有很高的氫生成能力。
圖1：化學摻雜石墨烯邊緣結構的製作方法概略圖
氫作爲能源載體不排放二氧化碳、能取代固體燃料的新一代清潔能源備受期待，尤其是在燃料電池車領域的應用。但目前其應用和實用化方面還存在尚未解決的課題，即確立一種新的生產技術，可以利用能低成本大量制氫的電極觸媒取代通常使用的高價貴金屬鉑。
此次，聯合研發小組確立了在石墨烯邊緣有目的地化學摻雜氮和磷的技術，在此基礎上，利用全球屈指可數的最尖端高解析度電化學顯微鏡技術「奈米電化學單元顯微鏡」和DFT（密度泛函理論）計算等發現，透過設計的石墨烯邊緣結構與化學摻雜的乘積效應，能大幅強化氫生成反應。獲得的結果與使用高價貴金屬鉑接近，由此在全球首次證實，非金屬元素的化學摻雜和邊緣結構等原子結構有助於提高電極的反應性能。
圖2（左）：利用穿透電子顯微術拍攝的開口石墨烯的邊緣結構和原子影像，以及利用元素成像法實施的各元素在同一區域的分佈影像
以此次的研究爲起點，結合再生能源電力和僅利用非金屬構成的電極，有望開發出沒有環境負荷的制氫技術。同時，從數學角度設計的材料表面結構和化學摻雜狀態的控制等還有助於探索、設計和開發新一代物質，有望實施不使用金屬的低成本制氫技術，成爲打造氫社會的研究基礎。
圖3（左）：利用恆電位儀和循環伏安法對氫生成反應進行測量的結果。
相關論文已於4月1日發表在約翰威立出版社發行的《Advanced Science》的網路版上。（日文發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部
