Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

在能源领域，将空气中的氧气转化为电力的探索是一项核心挑战。这一过程被称为氧还原反应，它是燃料电池的核心，而燃料电池有望为从汽车到家庭的一切设备提供动力，且不产生污染。然而，要高效地实现这一反应，通常需要像铂这样昂贵的金属。科学家们长期以来一直在寻找更便宜、更丰富的材料来完成同样的工作。石墨烯是一个极具前景的候选材料，它是一种厚度仅为一个原子层的碳片。虽然石墨烯具有极佳的导电性，但它很难以有效的方式粘附在表面上，并且通常需要辅助才能成为催化剂。为了解决这个问题，研究人员转向了自组装单分子层，即像地板上的瓷砖一样自动在表面排列整齐的单层分子。通过将这些分子“瓷砖”与石墨烯结合，科学家希望创造一个稳定的导电平台，用以承载其他分子以加速反应。

一位智利的研究人员最近构建了这样一个系统，创造了一种通过精确分层这些材料的新型电极。他们首先使用平滑的金表面，并涂覆了一层 4-MBT，这是一种起分子间隔器作用的分子。在该层之上，他们放置了化学还原氧化石墨烯，这是一种经过处理以去除氧并恢复导电能力的石墨烯形式。石墨烯并没有直接粘附在金上；相反，它落在分子间隔层疏水（即排斥水）的一端。这创造了一个类似三明治的结构，金与石墨烯之间由一层薄薄的有机薄膜隔开。随后，研究人员将铁酞菁（一种含有有助于分解氧的铁的分子）添加到了石墨烯片上。他们发现，这种特定的排列方式使铁分子能够稳固地坐落在石墨烯上，从而创造出一个在氧还原能力方面远优于以往尝试的表面。

为了了解这个新结构的效果如何，研究人员进行了一系列测试。首先，他们检查了电能在各层之间移动的难易程度。当他们将石墨烯置于分子间隔器之上时，与仅有间隔器相比，电阻显著下降。这证明了石墨烯片成功地弥合了间隙，使电子能够在金基底与外界之间自由流动。通过使用一种可以在纳米尺度测量电流的专用显微镜，他们观察到石墨烯在表面上形成了清晰且高导电性的“岛屿”。这些岛屿并非完全平坦；显微镜显示石墨烯片在某些地方发生了折叠和堆叠，形成了一个粗糙且有纹理的地貌。这种纹理非常重要，因为石墨烯的边缘和折痕通常是化学反应最活跃的地方。

研究人员随后利用基于光的技术分析了石墨烯本身的结构。分析表明，该材料的碳晶格中充满了微小的缺陷和不规则性。与其说这是一种缺陷，不如说这些不完美对于该应用是有益的，因为它们提供了更多的化学反应位点。当他们将含铁分子添加到这种石墨烯表面时，测试证实这些分子已牢固地附着在上面。研究发现，铁原子处于正确的化学状态以发挥催化作用，且分子内的氮原子也处于能与石墨烯相互作用的正确位置。

最后，研究人员测试了该系统在基础水溶液中还原氧的能力。结果令人瞩目。这种带有金基底、分子间隔器、石墨烯层和铁催化剂的新型电极，其启动氧还原过程所需的电压比将铁催化剂直接放置在金上的对照电极要高得多。这意味着新系统启动反应所需的能量更少。此外，新型电极产生了更强的电流，表明它将氧转化为水的效率更高。数据表明，该反应是通过四电子路径进行的，这是将氧转化为水最高效的方式，避免了有害副产物的产生。研究结论认为，这种分层方法并未改变反应的基本方式，但它使过程变得更快、更容易。通过利用石墨烯来恢复电连接并为催化剂提供稳定的家园，研究人员为未来的燃料电池技术创造了一个更有效的平台。