如何看待極高純度石墨烯或無顯著電催化活性？
近日，ACS Nano報道了極高純度石墨烯的製備方法，以及其電催化活性的測試。
作者利用鹵素氣體和金屬可在超高溫下反應這一特點，將電熱蒸汽法和ICP-OES聯用，獲得了超高純度的石墨烯材料。此後，作者進一步通過不同的氧化還原探針，證明了高純度石墨烯在多數條件下基本沒有任何電化學活性，其氧化還原反應(ORR)與析氫反應(HER)反應活性極低，甚至不及含有一定量雜質的石墨烯。
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重磅：黑金王者石墨烯，竟毫無催化活性?mp.weixin.qq.comDOI: 10.1021/acsnano.8b07534
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsnano.8b07534?pubs.acs.org.ccindex.cn
這難道不是理所當然的嗎，高純的石墨烯哪來的活性位點……
石墨烯本身從化學結構來看就是沒有活性的，共軛大Pi體系穩得一筆。有活性也是來自摻雜或者缺陷。
但即使做了doping和defect engineering，石墨烯活性還是很垃圾。現在性能比較好的電催化課題里，石墨烯實際用處類似於導電劑+基底，和炭黑這種便宜貨一個用途。獨特優勢也是有的，比如片狀結構可以和各路2D材料複合，或者較完整的大共軛去做PiPi相互作用。但不做這些方向的話，rGO的比表面積和導電性在碳材料里也沒那麼出眾，都打不過熱解椰子殼/小龍蝦，人家還有有序介孔和uniform N doping。
碳納米管其實也同理。製備是要用Fe/Ni來催化碳層的管狀生長。於是很多Fe/Ni金屬顆粒就被包進去了，酸洗也洗不掉。這種碳包覆金屬NP的結構顯然是有活性的，某院士語：鎧甲催化（笑）。
最近有很多文章做出很高活性的 metal-free 的 doped 石墨烯或者碳納米管，或者熱解一個MOF說是N摻雜C，他們的活性位點真的是非金屬本身嗎？會不會是殘留金屬成分導致的活性變化？有條件的話很想做一下這個問題，可惜我沒有題主文章的表徵儀器，也重複不出那些材料的合成（笑）。
但是！由於碳納米材料的概念太熱了，從業者都是習慣性地在introduction爆吹石墨烯和碳納米管…幾乎成為一種約定俗成。而對於一些判斷力不足的科研人員或者小雜誌，這種約定俗成居然導致了範圍較廣的事實錯誤傳播（碳納米材料有優秀的電催化活性etc）。題主放的這篇文章其實就是打擊一下這種約定俗成吧，順便搞個大新聞賺曝光度。
最後bb一句，希望材化炒菜工們放過石墨烯，請把它留給物理。
普通化學告訴我們，對於常規的表面催化劑，其活性位點基本上都來自於台階和孤立原子/邊界/位錯/雜質/其他缺陷……
高純度的石墨烯相對於其他的二維材料(WSe2/MoS2等等)，甚至都沒有形成大範圍位錯的機會(5-7環很少，基本沒有錯位)，而其能帶結構也不過如此，因此也就是普通的導體而已……
所以，我們既然都知道其活性來自於雜質和缺陷，那麼怎麼控制這些活性位點就變得有趣起來了。甚至，所謂石墨烯產業這個氣泡的表面張力有多大，很可能就取決於這一點。
靜觀其變吧~
我想做過石墨烯或者做過電催化的都知道，無缺陷，無雜原子和無金屬成分的石墨烯基本上跟其他碳材料（乙炔黑，多孔碳等）一樣，幾乎沒有催化活性（不僅僅是電催化）。理論計算就可以證明這種純SP2雜化的碳原子根本沒有催化活性，只有外部引入雜原子（N,O,S,P,和Fe等）改變電子分布，使雜原子本身或者臨近碳原子活化成為活性位點，或引入金屬離子或納米顆粒作催化劑（此時石墨烯作催化劑載體）。
這篇文章能發表在ACS nano上，主要是因為它通過精心設計的實驗和表徵手段去證明了一件「看似大家都知道的事」，嚴格意義上說不屬於「重大發現」，而是「重要的證明」。
這也是有意義的，因為很多想當然的理論，其實通過實驗還能發現各種「意外情況」，正如當年漂浮在傳統經典物理學頭上的「烏雲」一樣。只不過有的「烏雲」後面是天外有天，有的「烏雲」後面就是一片空白罷了。事情總要有人去做，實驗說明一切。
有個想法，這篇文章如果證明了「純凈的石墨烯居然有良好的催化活性」，那就真的是「重大發現」了，至少子刊級別了。
其實啊，做石墨烯材料研究的人以前都默認石墨烯是沒有電催化活性的，就像樓上的幾位高票答主解釋的原因那樣，是因為沒有傳統意義上的活性位點。但是其實從分子動力學模擬的結果來說，石墨烯是有電催化活性的，若是有表面曲率存在的話（不一定是表面缺陷），對錶面擴散和電催化活性都會有很明顯的影響的……答主的工作恰巧就是做這個領域，先佔個坑，等未來文章發了貼在這裡。
儘管從這個實驗上來說是非常無聊的，大家都知道一定是邊緣，摻雜，缺陷或者金屬導致的催化活性。但做metal-free的碳催化劑時，有一個問題長久的困擾大家，究竟是表面官能團還是殘存的一點金屬導致的ORR催化活性？這個製備的超高純度的石墨烯應該能在一定程度上幫助回答這個問題吧。
2019-01-22
話說，本徵石墨烯的價帶和導帶在布里淵區中心呈錐形接觸，因此是「零帶隙」的半導體，本就不該有顯著的電催化活性，這點應該算是個基本常識，竟然有無聊學者會去大費周章地反覆驗證，真是世界之大無奇不有！
「電催化」是使電極、電解質界面上的「電荷轉移」加速反應的一種催化作用。而費米能級的高低決定了化學吸附的強弱，一個好的電催化劑必須滿足的條件有三：
第一，d-band 跨越費米能級（在費能級處米，DOS 值 ≠ 0）；
第二，d-band 與 sp-band 與反應物軌道的耦合係數應該滿足長程且足夠大；
第三，在過度態時，反應物軌道與 d-band 的作用要強。（讓成鍵軌道充滿，反鍵軌道全空最好）
當費米能級較低時，如 d 空穴過多的 Cr、Mo、W、Mn 等由於對 分子吸附過強，不適合作加氫催化劑，而費米能級較高的 Ni、Pd、Pt 對
分子的化學吸附的強弱較適中，因此是有效的加氫催化劑。一般把石墨烯的費米能級設定到 0.2-0.9eV ，可通過加偏壓或摻雜進行調控，一般而言，能級密度大對吸附量增大有利。
再從「活性位點」的角度去思考。關於 的析氫反應催化劑研究中，相對於表面，
的邊緣位點少，加上
導電性能差，因此，提高
的活性主要有兩個策略：第一，增加活性位點的數目以及活性；第二，增強電極和催化劑之間電子的輸運以確保質子的有效還原。其中，增加活性位點的兩個簡單方法就是合成更小尺寸的
，或是引入了缺陷以及位錯等，使得材料的催化活性與塊狀的
相比，有著顯著地提升。
石墨烯主要是利用來解決其導電性差的問題，其作用有二，第一是導電性高的石墨烯可以給 納米片和電極之間提供電子傳輸的通道；第二是石墨烯與
之間強的相互作用，保障了
在石墨烯表面的選擇性生長，從而形成高分散的
納米粒子。
至於，利用石墨烯要同時解決導電性與分散性的技術，我們都已經找到方法了，就等有機會做出好成果再來分享給各位。
這～為什麼要證明？高純度的石墨烯沒有表面羥基，沒有缺陷，只能作為電載體吧！
石墨烯一直是作為基底，沒聽說誰覺得純的石墨烯會有電催化活性吧。至於雜質，金屬或者非金屬都可以吧，好像都有做出催化活性的
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