美国加州大学圣克鲁斯分校研制了一种纳米结构复合材料，在催化水的电化学裂解生产氢气方面显示出令人印象深刻的性能。高效、低成本的催化剂对于实现氢作为清洁、环保燃料的承诺至关重要。

加州大学圣克鲁斯分校的化学和生物化学教授Shaowei Chen教授领导的研究人员一直在研究碳基纳米结构材料的使用，用于从水中产生氢气的反应。在最近的一项研究中，他们通过将钌离子注入由氮化碳组成的片状纳米结构中取得了很好的结果。将钌掺杂的氮化碳与石墨烯（一种片状碳的形式）结合形成层状复合材料，进一步提高了性能。

“在这些纳米材料中，钌与氮的结合化学对于高催化性能起着关键作用，”Chen说。“我们还证明了催化剂的稳定性是很好的。”

这项新发现发表在《化学》杂志上，该杂志是关于可持续化学和能源材料的顶级杂志，文章刊登在1月10日的封面上。第一作者Yi Peng是Chen的实验室的一名研究生，他领导了这项研究并设计了封面图片。

氢作为一种清洁和可再生的燃料，长期以来一直具有吸引力。例如，为电动汽车供电的氢燃料电池只能排放水蒸气。然而，目前的氢生产仍然严重依赖于化石燃料（主要是利用蒸汽从天然气中提取）。寻找一种低成本、高效的方法，通过电解从水中提取氢气，将是一个重大突破。太阳能和风能等可再生资源产生的电力可能是间歇性的和不可靠的，因此可以很容易地作为氢燃料储存和分配。

目前，从水中产生氢气的电化学反应最有效的催化剂是以稀缺且昂贵的铂为基础的。碳基材料已显示出良好的前景，但其性能还没有接近于铂基催化剂。
在Chen的实验室研制的新型复合材料中，嵌入在氮化碳纳米片中的钌离子改变了基体中电子的分布，为质子与氢的结合创造了更活跃的位置。在结构中加入石墨烯进一步增强了电子的再分布。

“石墨烯与氮化碳纳米片形成夹层结构，导致电子的进一步再分布。这给了我们更大的质子还原效率，”Chen说。

作者报道，该复合材料的电催化性能可与商用铂催化剂相媲美。然而，Chen教授指出，要实现廉价高效的氢气生产，研究人员还有很长的路要走。

除了Peng和Chen，该研究的合著者还包括来自加州大学圣克鲁斯分校的Wanzhang Pan和Jia-En Liu,还有来自华南理工大学的Nan Wang。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国航天局资助的Merced纳米材料能源和传感中心的支持