真香，如何看待鸟屎掺杂石墨烯做实验发论文！[图]

    众所周知， 在石墨烯中掺杂多种成分可以提高其电催化性能，这成为了学术界在这一领域进行研究的思维范式，曾经看似奇妙的电催化石墨烯也逐渐变得稀松平常，如何让这一领域再次大放异彩，是一个值得深思的问题。

    我国作为石墨烯专利技术的早优先权国，在所有技术原创国之中处于首位，并且大幅度领先于其他国家，占据了较高的份额，而韩国，美国，日本作为其他主要技术的原创国家，紧随其后，但是从数量上看，依旧有明显的差距。

    从知网数据也可以看出，石墨烯中文相关文献数量从2010年开始了快速增长，石墨烯的学术关注度大幅度提升，掀起了研究的热潮。

石墨烯技术专利最早优先国家

数据来源：公开资料整理

    顺着这一思路，研究者们在石墨烯中掺杂了许多不同的元素，比如N、S、P、B等，掺杂得到的石墨烯的电催化效果都得到了增强。无论掺杂的原子或基团是给电子的还是吸电子的，得到的石墨烯都是有电催化活性的。只有少数实验和理论研究发现，B或S掺杂抑制了电化学反应。

    掺杂单个原子能够提高石墨烯电催化活性，但人类显然不满足于此。 随后又发现 双元素掺杂的效果更好，自此多元素掺杂石墨烯成为一种趋势。 这样看来，无论在石墨烯中加入任何物质，石墨烯的电催化活性都会增强。如果我们把唾液吐在石墨烯上，它就会成为更好的电催化剂，这种说法可能会有点夸张。唾液中含有84种稳定的元素（不包括惰性气体和碳），这样就会有84篇关于石墨烯单元素掺杂的文章； 使用两种掺杂剂，我们有 3486种可能的组合，使用三种掺杂剂，就有 95284种组合，而使用四种元素，有近 200万个组合。

    这时大家可能会开始产生疑问，是否所有在掺杂方面的研究都是合理且有价值的吗？来自 布拉格化学技术学院的Martin Pumer教授研究组对这一问题进行了深入的讨论，他们认为之前在该领域所做的大量工作没有很大的意义，并用实验证明了这一点。在研究中，他们没有使用昂贵而有毒的化学药品，而是寻找天然材料来掺杂石墨烯，这种天然材料就是—— 鸟粪。 相关论文于2020年1月14日发表在国际纳米科技领域权威学术期刊《 ACS Nano 》上，第一作者为 Lu Wang。

    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），非化学专业的人员也可以用它制造掺杂石墨烯。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具有出色的电催化性能：用于燃料电池的氧气还原（ORR）和用于电解池的析氢反应（HER）。如果今后在燃料电池和电解池中使用鸟粪掺杂的石墨烯而不是铂，不仅在清洁能源生产和环境保护方面产生巨大的社会效益，而且随着鸟粪成为一种有价值和受欢迎的产品，也会对农村经济产生巨大的影响。

    为了证明鸟粪掺杂石墨烯的电催化活性，他们以不同种类的氧化石墨为前驱体， 采用热剥离法制备了鸟粪修饰石墨烯，同时以未掺杂的石墨烯作为对照组。其中，由Hoffmann法制备的称为HO-GO，Hummers法制备的称为HU-GO，使用 鸟粪掺杂后统一加后缀BD。

    图1为石墨烯的SEM图，所有样品都表现出典型的剥离结构，证明所有样品都 成功地进行了热剥离。 有趣的是，修饰后的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离，可以形成类似于剥离的石墨烯的结构。

    图1 (A)HO-GO-BD，(B)HU-GO-BD，(C)HO-GO和(D)HU-GO放大3000倍和40000倍的SEM图像，比例尺（第一排）1μm，（第二排）100 nm。

    接下来，他们用XPS研究了所制备材料的元素组成和成键情况，结果如图2所示。结果表明所制备的石墨烯的还原程度相当，鸟粪掺杂的石墨烯中含有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谱图。(B)HO-GO-BD、(C)HO-GO-BD、(D)HO-GO-GO、(E)HU-GO-GO的C 1s高分辨率XPS

    他们研究了以玻碳电极、修饰石墨烯和对照石墨烯为电极时对ORR和HER反应的电催化性能，如图3所示。石墨烯样品对ORR的电催化性能均比玻碳电极有较大改善。与未掺杂石墨烯相比，HO-GO-BD和HU-GO-BD均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，这是因为鸟粪中存在其他杂质。

    综上所述，他们 证明了鸟粪掺杂的石墨烯确实比未掺杂的石墨烯具有更强的电催化作用。作者最后认为，研究人员应该把精力集中在其他研究方向上，而不要仅仅局限在越来越复杂的多元素掺杂的研究中。 在今后，人们也许可以通过鸡饲料来调整鸡粪的化学成分，得到的掺杂石墨烯的效果可以进一步提高，鸟粪可以再次高附加值产品，当然，有了如此巨大的优势，希望人类这一次不要因为鸟粪而引发战争。