氢能是新型可再生和生态友好型能源最有前途的候选者之一，为了以环保的方式生产氢能，建立光催化水分解体系已经成为研究热点。
为避免酸性介质中的光催化剂不稳定的问题和贵金属催化剂的毒性，腐蚀性和低选择性的难题，首尔国立大学先进材料研究所的Soo Young Park研究团队利用乙二胺（EDA）功能化的石墨烯量子点（GQDs）构建了一套稳定的光分解水体系，相关研究成果以“Enhancing the Alkaline Hydrogen Evolution Reaction of Graphene Quantum Dots by Ethylenediamine Functionalization”为题发表于ACS Applied Materials Interfaces。
首先，作者分别制备了氧化石墨烯（GO）和石墨烯量子点（GQD），并通过XPS、拉曼和HR-TEM等几种结构和光谱分析对GO和GQD进行了表征，证实了GO成功合成并转化为GQD。接下来，作者对乙二胺功能化的石墨烯量子点（GQD-EDA）进行了表征。TEM表明GQD-EDA颗粒的尺寸分布在6至8nm之间，与原始GQD的尺寸分布几乎相同，HR-TEM清楚地显示出与石墨烯（1120）面内晶格间距相关的晶格间距为0.24nm的晶体结构。结合XRD分析，作者认为EDA功能化后核心GQD结构的物理性质没有显着变化。FT-IR和XPS光谱证明了GQD与EDA共价功能化，而拉曼光谱证明EDA功能化后产生了结构缺陷状态。
作者测量了用不同量的EDA合成的GQD-EDA样品的光催化HER活性，结果表明，EDA功能化显著提高了GQD的HER性能，其中EDA占比为16.2 wt%（GQD-5EDA与0.5 mL EDA合成）的GQD-EDA具有最佳光催化性能。从pH依赖性结果来看，碱性溶液中GQD-EDA催化HER的活性增强远远大于中性溶液。这意味着EDA功能化可以通过提供作为额外水解离位点的伯胺位点来帮助GQD在碱性溶液中有效地产生氢气。
有意思的是，作品从亲水性、电化学特性和电荷分离性能等角度对GQD-EDA催化HER的过程进行了分析。首先，EDA功能化降低了水接触角，这意味着EDA的伯胺容易吸附水分子为提高催化效率提供了物质基础；其次，电催化结果明显表明，EDA功能化通过提供额外的水解离位点和促进电荷分离，可以显著促进HER并提高光催化效率；最后，通过对GQD和GQD-EDA在420nm发射波长下的荧光寿命进行测量直接证明了EDA功能化有助于改善GQD的电荷分离性能。
进一步地，作者研究了胺基团距离GQDs对HER性能的影响。结果表明，无论其链长如何，胺基团的引入都可以改善HER性能。值得注意的是，随着链长度的增加，HER性能下降，GQD-EDA显示出比其他样品更高的HER性能。作者将这一现象解释为，当吸附的水分子远离GQD时，它们变得更加难以接收电子。
总之，作者通过GQD的羧基与EDA胺之间的酰胺键形成反应，成功地合成了具有EDA功能化的GQDs。与纯GQD相比，GQD–EDA表现出光催化HER性能的增强。这项工作不仅展示了一种简单而有前途的策略，可以在碱性溶液中设计一种高效的无金属光触媒材料，还为碳点基催化材料的应用开拓了更加广阔的前景。（文：文和）
本文来自材料科学与工程，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
