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我們初中都學(xué)過雙氧水在二氧化錳催化作用下生成氫氣和氧氣的過程，同時(shí)學(xué)習(xí)了催化劑的概念。在化學(xué)反應(yīng)里能改變反應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，不改變化學(xué)平衡，本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì)叫催化劑（也叫觸媒）。借助于催化劑的作用，可以改變反應(yīng)途徑，縮短反應(yīng)時(shí)間，增加目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性等。催化劑就好比中國傳統(tǒng)婚姻嫁娶中的“媒人”，盡管一對男女，郎有情妾有意，心意相通，也需要“媒人”來牽線搭橋，促成這樁婚姻。催化劑在化學(xué)反應(yīng)里也有此功效。

在燃料電池領(lǐng)域，科學(xué)家們一直探索用廉價(jià)的金屬代替貴金屬作催化劑，金屬鐵被認(rèn)為最有希望代替鉑作為燃料電池催化劑，但由于鐵化學(xué)性質(zhì)活潑，導(dǎo)致其很容易被“傷害”，壽命大打折扣，使燃料電池催化劑非貴金屬替代進(jìn)入了瓶頸。

催化劑與反應(yīng)好比鑰匙與鎖的關(guān)系，如果催化劑這把鑰匙被弄壞了，那就無法開啟反應(yīng)的大門了。因此如何保護(hù)催化劑不被破壞就顯得尤為重要。但是很多時(shí)候在保護(hù)催化劑的同時(shí)，影響了催化劑的正常工作，也妨礙了反應(yīng)的正常進(jìn)行。那怎樣才能兩者兼顧呢？

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的科研人員想到了古代士兵作戰(zhàn)時(shí)的鎧甲。士兵們身披鎧甲，刀槍不入、所向披靡，堅(jiān)固的鎧甲保證了士兵的持續(xù)作戰(zhàn)能力。為了保證催化劑不被“傷害”，研究人員給催化劑也穿上了鎧甲，他們創(chuàng)造性地將金屬鐵納米粒子封裝到由石墨烯卷曲形成的豆莢狀碳納米管的管腔中，通過表征可以觀察到金屬鐵的活性電子通過與石墨烯的碳原子相互作用而“穿過”石墨烯，富集在石墨烯外表面的電子直接催化分子氧的還原反應(yīng)。這樣，通過給容易“受傷害”金屬鐵納米粒子“穿”上了一副由石墨烯制成的“鎧甲”，而鐵原子的活性電子猶如士兵的雙手一樣可以在“鎧甲”外自由活動，完成催化氧分子的還原反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃料電池在酸性環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行，顯著提高了其在實(shí)際運(yùn)行中的抗傷害能力。

石墨烯“鎧甲”催化劑示意圖

實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)一步證實(shí)，包裹納米金屬鐵的石墨烯層阻斷了反應(yīng)氣體與鐵納米粒子的直接接觸，從原理上避免了活性金屬鐵納米粒子的深度氧化，以及反應(yīng)氣氛中其它有害組分對催化劑的毒化，從而從根本上解決了納米金屬鐵作為燃料電池陰極催化劑的穩(wěn)定性難題。

在此基礎(chǔ)上，研究人員通過合成方法的創(chuàng)新，目前已可以有效控制“鎧甲”的種類、厚度、雜原子的含量，以及金屬內(nèi)核的組成、種類、尺寸等關(guān)鍵因素，從而使由石墨烯等二維材料組成的“鎧甲”具有不同的催化特性，在許多催化體系如電解水制氫、二氧化碳轉(zhuǎn)化、太陽能電池、鋰空氣電池、合成氣轉(zhuǎn)化等多個能源轉(zhuǎn)化重要領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。相信通過制備技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，穿“鎧甲”的催化劑走向?qū)嵱貌辉龠b遠(yuǎn)。