陳 瓊，張錢友

（長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410000）

石墨烯作為一種單層碳原子組成的二維材料，因其優(yōu)異的導(dǎo)電、熱導(dǎo)和力學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)，將單原子催化劑與石墨烯結(jié)合，能夠極大地提高催化劑的效率和穩(wěn)定性。單原子催化劑指的是催化活性位點為單個金屬原子的催化劑，相比傳統(tǒng)催化劑，它們具有更高的原子利用率和更優(yōu)的催化性能[1]。其中，鐵作為一種豐富、廉價且具有良好催化性能的金屬，成為研究的熱點。在這方面，F(xiàn)e@Graphene（石墨烯搭載單原子鐵的復(fù)合材料）是一個具有代表性的例子。這種復(fù)合材料通過將單原子鐵（Fe）催化劑均勻分散在石墨烯表面，結(jié)合了鐵原子的高催化效率和石墨烯的優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)。Fe@Graphene 展示了在化學(xué)反應(yīng)中卓越的催化活性，尤其在提高反應(yīng)選擇性和效率方面表現(xiàn)出色。此外，F(xiàn)e@Graphene 的穩(wěn)定性和耐用性也優(yōu)于傳統(tǒng)的催化劑，這使其在環(huán)境處理、能源轉(zhuǎn)換和有機合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

1 石墨烯和單原子鐵催化劑的基本特性

1.1 石墨烯的特性

石墨烯，這種由單層碳原子以蜂窩狀排列構(gòu)成的二維材料，已經(jīng)在材料科學(xué)界引起了革命性的變化，主要歸功于其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。石墨烯最顯著的特點是其厚度僅為單個原子層，但它卻展現(xiàn)出令人驚嘆的物理強度。這一特性使得石墨烯成為一種極具吸引力的材料，尤其是在作為催化劑載體的領(lǐng)域中。石墨烯的高比表面積提供了更多的活性位點，這對于增強催化效率具有重要意義。此外，石墨烯的高導(dǎo)電性質(zhì)極大地增強了其作為電子傳輸媒介的能力，這在那些涉及電化學(xué)反應(yīng)的催化過程中顯得尤為關(guān)鍵。[2]石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性是其另一個關(guān)鍵特征，它保證了在各種化學(xué)環(huán)境下其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。同時，其卓越的機械強度確保了在催化反應(yīng)中的耐用性和可靠性。因此，石墨烯已經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用于多種催化體系中，其出現(xiàn)不僅為催化科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的可能性，也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。這種材料的研究和應(yīng)用正在不斷拓展催化劑的設(shè)計和制備邊界，為實現(xiàn)更高效、更具選擇性的催化反應(yīng)提供了新的方向。石墨烯的這些特性，尤其是其高比表面積和優(yōu)異的電子傳輸能力，使其在催化劑載體研究中占據(jù)了核心位置，為開發(fā)新型高效催化劑提供了新的視角。

1.2 單原子鐵催化劑的特性

在催化劑的研究領(lǐng)域中，單原子鐵催化劑的出現(xiàn)無疑是一個重要的里程碑。與傳統(tǒng)的金屬納米粒子催化劑相比，單原子鐵催化劑由于其獨特的結(jié)構(gòu)特性而顯示出更加優(yōu)異的催化活性和選擇性。在這種催化劑中，鐵原子以單原子形式存在，意味著每一個鐵原子都直接暴露于反應(yīng)環(huán)境中，與傳統(tǒng)催化劑中部分原子被內(nèi)嵌或遮蔽的情況形成鮮明對比。這種結(jié)構(gòu)特征使得鐵原子的每一個活性位點都可以直接參與到催化反應(yīng)中，從而極大地提高了催化劑的原子利用率和反應(yīng)效率。

此外，單原子鐵催化劑的電子結(jié)構(gòu)也極為獨特。由于其單原子特性，鐵原子與載體材料（如石墨烯）的相互作用導(dǎo)致了電子結(jié)構(gòu)的重新分布，這種電子環(huán)境的改變對催化過程中的電子轉(zhuǎn)移、能級匹配等方面具有重要影響。因此，單原子鐵催化劑不僅在催化活性上表現(xiàn)出色，其反應(yīng)的選擇性和特異性也得到了顯著提升。在化學(xué)反應(yīng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的反應(yīng)路徑控制和產(chǎn)品選擇性，這對于合成化學(xué)、環(huán)境處理、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

2 Fe@Graphene 復(fù)合材料的合成方法和結(jié)構(gòu)特性

2.1 合成方法

Fe@Graphene 復(fù)合材料的制備方法是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在這一領(lǐng)域中，物理吸附、化學(xué)吸附和原位生長等方法被廣泛應(yīng)用。這些方法各有特點，但共同的目標(biāo)是在石墨烯表面均勻分散單原子鐵催化劑。

化學(xué)氣相沉積（CVD）方法是其中的佼佼者，它通過化學(xué)反應(yīng)在高溫下將氣態(tài)的前驅(qū)體分解，從而在基底材料上沉積出目標(biāo)材料。在制備Fe@Graphene 時，通過精確控制反應(yīng)條件，如溫度、壓力和氣體流速，可以實現(xiàn)鐵原子在石墨烯表面的均勻分散。這種方法的優(yōu)勢在于能夠控制沉積材料的厚度和均勻性，同時還能夠調(diào)整鐵原子的密度，從而優(yōu)化催化劑的性能。

原子層沉積（ALD）技術(shù)則提供了另一種制備途徑。與CVD 類似，ALD 也是一種化學(xué)氣相沉積技術(shù)，但它通過分步進行的化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)原子級別的沉積控制[3]。在每個循環(huán)中，一個化學(xué)前驅(qū)體被引入并與表面反應(yīng)，然后通過一種清洗過程去除多余的前驅(qū)體，最后引入另一個化學(xué)前驅(qū)體進行下一步的反應(yīng)。這種逐層生長的方法能夠精確控制材料的組成和結(jié)構(gòu)，尤其適合于單原子催化劑的制備，因為它可以精確控制每個原子的位置。

2.2 結(jié)構(gòu)特性

Fe@Graphene 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性是其催化性能的關(guān)鍵，這種材料將鐵原子與石墨烯結(jié)合，創(chuàng)建了一種具有獨特物理和化學(xué)特性的新型催化劑。為了深入理解這種復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，科研人員運用了一系列先進的表征技術(shù)，包括透射電子顯微鏡（TEM）、X 射線光電子能譜（XPS）和原子力顯微鏡（AFM）。這些技術(shù)不僅揭示了材料的微觀結(jié)構(gòu)，而且對于優(yōu)化其催化性能提供了關(guān)鍵信息。

透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)在研究Fe@Graphene復(fù)合材料時發(fā)揮了重要作用，TEM 通過高能電子束透射樣品，生成的圖像能夠展現(xiàn)出原子級別的細(xì)節(jié)。在Fe@Graphene 的研究中，TEM 技術(shù)使科研人員能夠直觀地觀察到鐵原子在石墨烯表面的分布情況。單個鐵原子甚至鐵原子團簇的位置和分布通過TEM 成像變得清晰可見。這種原子級別的分辨率對于了解催化劑的分散性和均勻性極其重要。通過觀察石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和表面缺陷，研究人員可以更好地理解鐵原子的分布和催化活性。例如，石墨烯表面的缺陷位可能會成為鐵原子的錨定點，從而影響其催化性能。

X 射線光電子能譜（XPS）技術(shù)則提供了關(guān)于復(fù)合材料表面化學(xué)狀態(tài)的深入信息，XPS 通過測量物質(zhì)表面被X 射線激發(fā)后發(fā)射出的光電子的能量來分析化學(xué)成分和電子態(tài)。在Fe@Graphene 復(fù)合材料的研究中，XPS能夠揭示鐵原子的氧化態(tài)，以及它們與石墨烯之間的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)。這些信息對于理解催化劑的活性及其在化學(xué)反應(yīng)中的作用機制至關(guān)重要。例如，XPS 分析可以確定鐵原子是以Fe^(2+)還是Fe^(3+)的形式存在，以及它們是通過哪種化學(xué)鍵與石墨烯相互作用的。

原子力顯微鏡（AFM）則為研究Fe@Graphene 復(fù)合材料提供了另一個維度的洞見，AFM 利用一個非常尖銳的探針掃描材料表面，從而生成表面的三維圖像。在Fe@Graphene 的研究中，AFM 可以用來觀察石墨烯表面的粗糙度以及鐵原子的聚集情況。這種三維形貌的觀察使研究者能夠在單原子層級別上精確地評估鐵原子在石墨烯表面的分布情況和密度。這一點對于催化劑的制備和性能優(yōu)化具有重要意義。通過AFM，研究人員能夠確定鐵原子的聚集趨勢，從而進一步調(diào)整合成方法以達(dá)到更好的分散性和催化活性。表面的分布情況和密度對于優(yōu)化催化劑的制備工藝和提高其催化性能具有重要意義。

3 Fe@Graphene 在催化反應(yīng)中的應(yīng)用

3.1 Fe@Graphene 在有機合成反應(yīng)中的應(yīng)用

Fe@Graphene 復(fù)合材料在有機合成反應(yīng)中的應(yīng)用展現(xiàn)了其作為催化劑的卓越性能和多功能性。特別是在有機化學(xué)合成的過程中，F(xiàn)e@Graphene 的應(yīng)用極大地提高了反應(yīng)的效率，而且增強了對產(chǎn)物的精準(zhǔn)控制，這對于制藥和精細(xì)化工領(lǐng)域具有特別重要的意義。例如，在涉及氧化和還原的有機反應(yīng)中，F(xiàn)e@Graphene 能夠作為一個有效的電子轉(zhuǎn)移媒介，加速反應(yīng)的進程。這一特性使得Fe@Graphene 在促進某些復(fù)雜的有機反應(yīng)中顯示出非凡的能力，特別是那些需要精確控制氧化狀態(tài)的反應(yīng)[4]。在這些過程中，不僅反應(yīng)速率得到顯著提升，同時也能夠保持對目標(biāo)產(chǎn)物的高選擇性，這在制藥行業(yè)中尤為重要，因為許多藥物分子的合成需要嚴(yán)格控制化學(xué)反應(yīng)的條件和路徑以確保最終產(chǎn)品的純度和活性。另外，F(xiàn)e@Graphene 在促進碳-碳鍵形成的反應(yīng)中也展示了其優(yōu)異的性能，這對于構(gòu)建復(fù)雜的有機分子框架至關(guān)重要。在有機化學(xué)中，碳-碳鍵的形成是構(gòu)建復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，而Fe@Graphene 通過其獨特的催化機制，能夠有效地催化這類反應(yīng)，使其在更溫和的條件下進行，從而提高了整個合成過程的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。由于鐵原子在Fe@Graphene材料中展現(xiàn)出的高催化活性，以及石墨烯作為載體的高穩(wěn)定性和大的比表面積，使得這種復(fù)合材料在催化碳-碳鍵形成反應(yīng)時，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率和高選擇性。這不僅為合成復(fù)雜的有機分子提供了新的可能性，也為尋找更經(jīng)濟、更環(huán)保的有機合成路徑提供了新的思路。

3.2 Fe@Graphene 在環(huán)境處理反應(yīng)中的應(yīng)用

在環(huán)境污染處理的領(lǐng)域中，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用展現(xiàn)了其在解決當(dāng)今嚴(yán)峻環(huán)境問題中的巨大潛力。具體來說，在水體凈化方面，F(xiàn)e@Graphene 已經(jīng)成為一種高效且可靠的材料，用于去除有害化學(xué)物質(zhì)，包括重金屬離子和有機污染物。這種復(fù)合材料之所以在水處理領(lǐng)域如此有效，主要得益于其獨特的物理和化學(xué)屬性。其具有的大比表面積為污染物提供了廣闊的接觸面積，使得污染物更易于被吸附或與催化劑發(fā)生反應(yīng)。而Fe@Graphene 中單原子鐵的存在，則進一步增強了其與污染物的相互作用，使其能有效地催化污染物的分解或轉(zhuǎn)化。例如，在去除水中的重金屬污染時，F(xiàn)e@Graphene 能夠有效地吸附并穩(wěn)定這些污染物，防止它們進一步擴散或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境造成損害。同時，對于有機污染物，如染料、農(nóng)藥等，F(xiàn)e@Graphene 通過催化氧化反應(yīng)，將這些難以降解的有機物轉(zhuǎn)化為無害的小分子物質(zhì)，從而凈化水體。在空氣凈化方面，F(xiàn)e@Graphene 同樣展示了顯著的應(yīng)用前景。隨著工業(yè)化進程的加快和城市化的發(fā)展，空氣污染已成為一個全球性的問題，其中二氧化硫、一氧化碳等有害氣體的排放尤為嚴(yán)重。Fe@Graphene 在這一方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在它能有效地催化分解這些有害氣體。通過催化氧化反應(yīng)，F(xiàn)e@Graphene 能將二氧化硫和一氧化碳等氣體轉(zhuǎn)化為無害或危害更小的物質(zhì)，比如將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。這種轉(zhuǎn)化不僅減少了有害氣體對環(huán)境和人體健康的危害，而且有助于減少溫室氣體排放，對抗全球變暖。

3.3 Fe@Graphene 在能源轉(zhuǎn)換過程中的應(yīng)用

在能源科學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料作為一種新興的催化材料，正日益成為可再生能源技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，尤其是在太陽能和燃料電池的應(yīng)用中[5]。對于太陽能電池，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其作為高效的光催化劑的角色，太陽能電池的核心在于將光能轉(zhuǎn)化為電能，而Fe@Graphene 的高導(dǎo)電性能和優(yōu)異的光催化活性能顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。具體來說，當(dāng)Fe@Graphene 用作光催化劑時，它能夠有效地吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為電子和空穴，這些電子和空穴的分離及轉(zhuǎn)移是提高太陽能電池效率的關(guān)鍵。此外，F(xiàn)e@Graphene 的獨特結(jié)構(gòu)還能降低電荷重組率，進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而不僅提升了電池的性能，也降低了太陽能電池的制造成本，使之具有更強的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。在燃料電池方面，F(xiàn)e@Graphene 復(fù)合材料的應(yīng)用同樣顯得極為重要，燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它的工作效率和穩(wěn)定性在很大程度上取決于電極材料的性能。在這方面，F(xiàn)e@Graphene 作為電極材料，不僅因其高導(dǎo)電性能提高了電池的整體電化學(xué)性能，而且由于單原子鐵的存在，顯著提升了催化效率。特別是在氧還原反應(yīng)（ORR）和氫氧化反應(yīng)（HOR）等關(guān)鍵反應(yīng)中，F(xiàn)e@Graphene 能有效催化這些反應(yīng)的進行，從而增加燃料電池的能源密度并提高其能效比。

4 結(jié)語

Fe@Graphene 作為一種新型的單原子催化系統(tǒng)，因它獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和卓越的催化性能，在化學(xué)反應(yīng)催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。Fe@Graphene 的研究還揭示了單原子催化劑與二維納米材料結(jié)合的巨大潛能，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來新的研究方向。未來，F(xiàn)e@Graphene的研究成果也將推動相關(guān)科學(xué)技術(shù)向更高效、環(huán)保和可持續(xù)的方向發(fā)展，對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?？傊?，F(xiàn)e@Graphene 的未來研究和應(yīng)用前景令人充滿期待，它的發(fā)展將是材料科學(xué)和催化化學(xué)領(lǐng)域中的一個重要里程碑。