石墨烯中掺杂多种成分可以提高其电催化性能，这一领域再次大放异彩

众所周知，掺杂各种成分的石墨烯可以提高其电催化性能，这已经成为该领域学术研究的范式，而曾经精彩的电催化石墨烯也逐渐稀少了通常，如何让这个领域再次大放异彩是一个值得深思的问题。按照这个思路，研究人员在石墨烯中掺杂了N、S、P、B等多种不同元素，掺杂后的石墨烯的电催化效果得到了增强。无论掺杂的原子或基团是给电子还是吸电子，所得石墨烯都具有电催化活性。只有少数实验和理论研究发现B或S掺杂会抑制电化学反应。

掺杂单个原子可以提高石墨烯的电催化活性，但人类显然对此并不满意。后来发现双元素掺杂效果更好，从此石墨烯的多元素掺杂成为趋势。这样，无论在石墨烯中添加什么物质，石墨烯的电催化活性都会增强。说如果我们将唾液吐在石墨烯上，它会是一种更好的电催化剂，可能有点夸张。唾液中含有84种稳定元素（不包括惰性气体和碳），因此石墨烯单元素掺杂的文章将有84篇；使用两种掺杂剂，我们有 3486 种可能的组合，使用三种一种掺杂剂，有 95,284 种组合，而使用四种元素，则有近 200 万种组合。

此时人们可能会开始质疑，所有关于兴奋剂的研究是否合理和值得？

以至于有人为这种现象写了一个打油诗：

实验为王，理论靠创造；

思路不清楚，加点石墨烯；

投稿不顺利石墨烯主要成分，涂点钙钛矿；

青年才俊之路，实验改变元素；

如果你问这意味着什么，盘古打开了世界！

布拉格化学技术研究所Martin Pumer教授的研究小组受不了，决定为了发表论文而攻击这种发表论文的现象。完成的工作量并没有多大意义，并且已通过实验证明。并且顺便发表了一篇顶级期刊论文。

在他们的研究中，他们没有使用昂贵且有毒的化学品，而是寻找一种天然材料来掺杂石墨烯，称为鸟粪。相关论文于2020年1月14日发表在纳米技术领域国际权威学术期刊《ACS Nano》上，论文第一作者为王璐。

论文的标题是：我们在石墨烯中放什么垃圾会增加它的电催化效果吗？

论文标题很讽刺。

与合成化学品相比，鸟粪价格低廉，含有多种元素（N、P、S、Cl等），非化学专业人士也可以用它来制造掺杂石墨烯。他们发现，这种高熵、多元素掺杂的石墨烯对两个工业上重要的反应表现出优异的电催化性能：燃料电池的氧还原 (ORR) 和电解电池的析氢 (HER)。如果未来在燃料电池和电解槽中使用鸟粪掺杂石墨烯代替铂，不仅在清洁能源生产和环境保护方面将产生巨大的社会效益，而且随着鸟粪成为有价值和受欢迎的产品，还将对农村经济产生巨大影响。

为了证明鸟粪掺杂石墨烯的电催化活性，他们使用不同种类的氧化石墨作为前驱体，通过热剥离制备鸟粪改性石墨烯，而未掺杂的石墨烯作为对照组。其中，霍夫曼法制备的称为HO-GO，悍马法制备的称为HU-GO，后缀BD是在掺杂鸟粪后均匀添加的。

图 1 是石墨烯的 SEM 图像，所有样品都呈现出典型的剥离结构石墨烯主要成分，证明所有样品都成功地进行了热剥离。有趣的是，改性石墨烯表现出与对照石墨烯相同的结构，没有观察到片状或粉末状结构，这表明添加的粪便与石墨烯一起剥落，形成与剥落石墨烯相似的结构。 .

图。图 1 (A) HO-GO-BD, (B) HU-GO-BD, (C) HO-GO 和 (D) HU-GO SEM 图像在 3000x 和 40000x 放大倍率下, 比例尺 (第一行) 1 μm, (第二行）100 nm。

接下来，他们利用XPS研究了所制备材料的元素组成和键合，结果如图2所示。结果表明，制备的石墨烯的还原程度相当，鸟粪掺杂石墨烯含有 N、S 和 P 元素。

图 2 (A) (A1)HO-GO-BD, (A2)HU-GO-BD, (A3)HO-GO, (A4) HU-GO-GO的XPS光谱. (B) HO-GO-BD, (C) HO-GO-BD, (D) HO-GO-GO, (E) HU-GO-GO的C 1s High分辨率 XPS

他们使用玻碳电极、改性石墨烯和对照石墨烯作为电极，研究了 ORR 和 HER 反应的电催化性能，如图 3 所示。与玻碳电极。与未掺杂的石墨烯相比，HO-GO-BD 和 HU-GO-BD 都表现出较低的起始电位。 Hu-GO-BD在所有样品中显示出最低的过电位，这是由于鸟粪中存在其他杂质。

图3 (A) ORR和(B) HER的线性伏安曲线

总之，他们证明鸟粪掺杂的石墨烯确实表现出比未掺杂的石墨烯更强的电催化作用。作者得出结论，研究人员应将精力集中在其他研究方向上，而不仅仅是研究日益复杂的多元素掺杂。未来，人们或许可以通过鸡饲料来调整鸡粪的化学成分，掺杂石墨烯的效果可以进一步提升，鸟粪又可以成为高附加值的产品。当然，有这么大的优势，希望这次不要因为一次鸟粪而开战。

论文链接：

/10.1021/acsnano.9b00184