为解决能源和环境问题，开发高效的非金属基电催化材料一直是科学研究的热点。其中，碳材料尤其是石墨烯材料已经引起广泛的关注。由于其高比表面积、高电导率、低成本等特性，石墨烯材料在锂空气电池、超级电容器、燃料电池、电解水等领域展现出广阔的应用前景。

诸多研究表明，化学掺杂是显著提高石墨烯材料电化学催化活性的有效的手段。然而，化学掺杂，尤其是高浓度掺杂，会导致额外的电子散射并降低石墨烯的电导率，进而影响材料的电化学催化性能。如何解决高浓度化学掺杂和高电导率之间的矛盾是开发高效石墨烯电催化剂的瓶颈问题。

有鉴于此，日本东北大学陈明伟教授课题组通过制备一种具有分级结构的三维纳米多孔石墨烯，有效地解决了这一难题。

该分级结构纳米多孔石墨烯材料通过两步化学气相沉积法（CVD）制备（图1）:第一步，通过基于纳米多孔金属的CVD法制备具有高结晶度、高电导的三维纳米多孔石墨烯基底；第二步，通过盐浴法在多孔石墨烯基底表面沉积一层镍盐；第三步，以镍盐为催化剂通过二次CVD生长高浓度氮、硫元素掺杂的石墨烯介孔纳米结构。

SEM显示该材料具有三维双连通多孔结构，50nm左右大小的石墨烯岛状构造均匀地覆盖在500-800nm孔径的多孔石墨烯表面。HRTEM表明多孔石墨烯基底具有完美的石墨烯晶格结构，而石墨烯岛状纳米构造具有高曲率和高曲率梯度并含有高密度的拓扑缺陷和化学缺陷。

XPS结果显示其掺杂元素氮和硫的含量高达9.0at.%。与此同时，得益于多孔石墨烯基底的高结晶度，该多孔石墨烯材料亦具有很高的电导率。这种分级结构三维纳米多孔石墨烯能高效催化电化学析氢反应。

在酸性溶液中，该材料的起始电位仅有-0.12V，Tafel斜率仅72mV dec-1，催化转换频率（TOF）高达3.2H2/s，催化活性优于二维过渡金属硫化物甚至接近Pt/C催化剂。

总之，该项工作所设计的层次结构三维纳米多孔石墨烯不仅具备高的应用价值，也为研究石墨烯催化机理和开发高效非金属催化材料提供了样本和思路。