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摘要：研究小组通过对三维弯曲的石墨烯进行氮掺杂，发现石墨烯同时具有电子可运动的金属特性与电子局部存在的绝缘体特性。由于可以利用金属特性将电子输送到具有绝缘体特性的区域后再用于催化反应，有望设计出具有高电传导性的非金属催化剂。

关键字：石墨烯、非贵金属催化剂、高性能催化剂载体、金属特性、绝缘体特性

碳材料是一种被广泛用于负载化学反应中的金属催化剂的材料。如果碳材料本身具有催化剂的功能，就不需要铂等昂贵的金属催化剂。

研究小组将氮化学掺杂到以片状石墨烯为主的立体曲面结构中，发现可以实现一种特异电子状态，即在石墨烯中同时并存着电流容易流动的金属状态，和电子被限制（局部化）在曲面的一部分中，使其不稳定且易于催化反应（绝缘体状电子）的状态。

石墨烯是具有高导电性的二维碳片。众所周知，如果用氮原子或硫原子置换石墨烯的部分碳原子，表现为化学惰性的石墨烯就会呈现出化学活性的状态。基于该特性的电极催化剂材料的开发不断在进行。并且，有研究显示，通过使石墨烯立体化，石墨烯作为非贵金属催化剂和导电性的催化剂载体均具有优异的特性。但是，对于具有三维结构的石墨烯（3D石墨烯）和化学掺杂的结合如何形成高性能催化剂的机制尚不可知。

图1.氮掺杂的三维纳米多孔石墨烯电子显微镜图像

（a）氮掺杂的三维纳米多孔石墨烯扫描电子显微镜图像

（b）氮掺杂的三维纳米多孔石墨烯透射电子显微镜图像

此次，研究小组用氮原子置换了具有三维纳米多孔结构的石墨烯曲面上的部分碳原子，详细地研究了氮掺杂后的三维石墨烯的电子物性。其结果表明，通过曲面和氮置换的组合，由于被称为乌尔巴赫带尾的电位紊乱，使得电子被封闭的状态与电子良好流动的金属状态同时存在。

本研究成果揭示了在具有三维结构的石墨烯上发生催化反应的位点，以及向负载催化剂有效输送电子促进催化反应的原理，有望进一步开发出不使用化学掺杂贵金属的碳材料电极催化剂和高性能催化剂载体。

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阐明不使用贵金属的石墨烯具有优异催化能力的原理