韩国高等研究院、汉阳大学Sangtae Kim --揭示氧化石墨烯缺陷在镁纳米晶演化中的作用及其对氢存储的影响
镁的储氢性能很大程度上取决于镁粒子的大小和形貌，而这些大小和形貌决定了氢原子的扩散路径。虽然Mg/石墨烯衍生物复合材料作为储氢材料的研究已经深入，但对其与石墨烯衍生物的相互作用和Mg的形态演变的基本认识尚待阐明，最终实现其储氢性能的调整。在这里，我们揭示了石墨烯缺陷在Mg的尺寸和形貌中的作用，并通过使用不同还原程度的石墨烯氧化物(GO)来控制Mg的均匀性。与缺陷石墨烯氧化物(rGO)相比，被更多还原石墨烯氧化物(rGO)约束的Mg纳米晶体不仅具有更高的脱/吸附活化能垒，而且诱导时间也更长。Ab,initio计算表明，Mg和GO缺陷之间的相互作用主导了Mg化学势，抑制了小Mg纳米晶体的生长。
图1 石墨烯中缺陷密度与Mg团簇尺寸和氢吸附特性相关的示意图。
图2 (a)制备的氧化石墨烯 (黑色)、rGO50 (红色)、rGO100 (蓝色)和rGO200 (绿色)的x射线光电子能谱，(b)氧/碳(O/C)原子比的变化，以及(C)基于峰面积计算的一系列rGOs的功能性百分比。
图3 (a) GO/Mg， (b) rGO100/Mg， (c) rGO200/Mg纳米复合材料的透射电镜图。
图4. (a) GO/Mg(黑色)、rGO100/Mg(红色)和rGO200/Mg(蓝色)纳米复合材料的x射线衍射图和拉曼光谱，以及(c) Mg纳米复合材料的x射线光电子光谱证明了rGO和Mg纳米晶体的相互作用。
图5 (a) Mg复合材料的吸氢动力学(200 oC和15 bar H2)和(b)吸附wt% H2的活化能和R2相关值的变化(虚线);(c) Mg复合材料在300 oC和0 bar条件下的氢解吸动力学;(d)反应活化能和R2相关值(虚线)随wt% H2的变化。
图6 (a) Mg的化学势根据两种缺陷密度石墨烯上吸附Mg的数量而定。(b)在1/50和2/50缺陷密度下，固定Mg: C比的Mg团簇的自由能。(c和d)在单缺陷(c)和双缺陷(d)石墨烯上吸附Mg的最低能量构型可达7 Mg。
相关科研成果由韩国高等研究院Eun Seon Cho汉阳大学Sangtae Kim等人于2021年发表在Journal of Materials Chemistry A（https://doi.org/10.1039/D0TA12556C）上。原文：Revealing the role of defects in graphene oxide in the evolution of magnesium nanocrystals and the resulting effects on hydrogen storage。