真香，如何看待鳥屎摻雜石墨烯做實驗發(fā)論文！[圖]

    眾所周知， 在石墨烯中摻雜多種成分可以提高其電催化性能，這成為了學(xué)術(shù)界在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究的思維范式，曾經(jīng)看似奇妙的電催化石墨烯也逐漸變得稀松平常，如何讓這一領(lǐng)域再次大放異彩，是一個值得深思的問題。

    我國作為石墨烯專利技術(shù)的早優(yōu)先權(quán)國，在所有技術(shù)原創(chuàng)國之中處于首位，并且大幅度領(lǐng)先于其他國家，占據(jù)了較高的份額，而韓國，美國，日本作為其他主要技術(shù)的原創(chuàng)國家，緊隨其后，但是從數(shù)量上看，依舊有明顯的差距。

    從知網(wǎng)數(shù)據(jù)也可以看出，石墨烯中文相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量從2010年開始了快速增長，石墨烯的學(xué)術(shù)關(guān)注度大幅度提升，掀起了研究的熱潮。

石墨烯技術(shù)專利最早優(yōu)先國家

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    順著這一思路，研究者們在石墨烯中摻雜了許多不同的元素，比如N、S、P、B等，摻雜得到的石墨烯的電催化效果都得到了增強(qiáng)。無論摻雜的原子或基團(tuán)是給電子的還是吸電子的，得到的石墨烯都是有電催化活性的。只有少數(shù)實驗和理論研究發(fā)現(xiàn)，B或S摻雜抑制了電化學(xué)反應(yīng)。

    摻雜單個原子能夠提高石墨烯電催化活性，但人類顯然不滿足于此。 隨后又發(fā)現(xiàn) 雙元素?fù)诫s的效果更好，自此多元素?fù)诫s石墨烯成為一種趨勢。 這樣看來，無論在石墨烯中加入任何物質(zhì)，石墨烯的電催化活性都會增強(qiáng)。如果我們把唾液吐在石墨烯上，它就會成為更好的電催化劑，這種說法可能會有點夸張。唾液中含有84種穩(wěn)定的元素（不包括惰性氣體和碳），這樣就會有84篇關(guān)于石墨烯單元素?fù)诫s的文章； 使用兩種摻雜劑，我們有 3486種可能的組合，使用三種摻雜劑，就有 95284種組合，而使用四種元素，有近 200萬個組合。

    這時大家可能會開始產(chǎn)生疑問，是否所有在摻雜方面的研究都是合理且有價值的嗎？來自 布拉格化學(xué)技術(shù)學(xué)院的Martin Pumer教授研究組對這一問題進(jìn)行了深入的討論，他們認(rèn)為之前在該領(lǐng)域所做的大量工作沒有很大的意義，并用實驗證明了這一點。在研究中，他們沒有使用昂貴而有毒的化學(xué)藥品，而是尋找天然材料來摻雜石墨烯，這種天然材料就是—— 鳥糞。 相關(guān)論文于2020年1月14日發(fā)表在國際納米科技領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《 ACS Nano 》上，第一作者為 Lu Wang。

    與合成化學(xué)品相比，鳥糞價格低廉，含有多種元素（N、P、S、Cl等），非化學(xué)專業(yè)的人員也可以用它制造摻雜石墨烯。他們發(fā)現(xiàn)，這種高熵、多元素?fù)诫s的石墨烯，對兩個工業(yè)上重要的反應(yīng)具有出色的電催化性能：用于燃料電池的氧氣還原（ORR）和用于電解池的析氫反應(yīng)（HER）。如果今后在燃料電池和電解池中使用鳥糞摻雜的石墨烯而不是鉑，不僅在清潔能源生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面產(chǎn)生巨大的社會效益，而且隨著鳥糞成為一種有價值和受歡迎的產(chǎn)品，也會對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。

    為了證明鳥糞摻雜石墨烯的電催化活性，他們以不同種類的氧化石墨為前驅(qū)體， 采用熱剝離法制備了鳥糞修飾石墨烯，同時以未摻雜的石墨烯作為對照組。其中，由Hoffmann法制備的稱為HO-GO，Hummers法制備的稱為HU-GO，使用 鳥糞摻雜后統(tǒng)一加后綴BD。

    圖1為石墨烯的SEM圖，所有樣品都表現(xiàn)出典型的剝離結(jié)構(gòu)，證明所有樣品都 成功地進(jìn)行了熱剝離。 有趣的是，修飾后的石墨烯表現(xiàn)出與對照石墨烯相同的結(jié)構(gòu)，沒有觀察到片狀或粉末狀結(jié)構(gòu)，這表明添加的糞便與石墨烯一起剝離，可以形成類似于剝離的石墨烯的結(jié)構(gòu)。

    圖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圖像，比例尺（第一排）1μm，（第二排）100 nm。

    接下來，他們用XPS研究了所制備材料的元素組成和成鍵情況，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明所制備的石墨烯的還原程度相當(dāng)，鳥糞摻雜的石墨烯中含有N、S和P元素。

    圖2 (A) (A1)HO-GO-BD、(A2)HU-GO-BD、(A3)HO-GO、(A4)HU-GO-GO的XPS譜圖。(B)HO-GO-BD、(C)HO-GO-BD、(D)HO-GO-GO、(E)HU-GO-GO的C 1s高分辨率XPS

    他們研究了以玻碳電極、修飾石墨烯和對照石墨烯為電極時對ORR和HER反應(yīng)的電催化性能，如圖3所示。石墨烯樣品對ORR的電催化性能均比玻碳電極有較大改善。與未摻雜石墨烯相比，HO-GO-BD和HU-GO-BD均表現(xiàn)出較低的起始電位。Hu-GO-BD在所有樣品中顯示出最低的過電位，這是因為鳥糞中存在其他雜質(zhì)。

    綜上所述，他們 證明了鳥糞摻雜的石墨烯確實比未摻雜的石墨烯具有更強(qiáng)的電催化作用。作者最后認(rèn)為，研究人員應(yīng)該把精力集中在其他研究方向上，而不要僅僅局限在越來越復(fù)雜的多元素?fù)诫s的研究中。 在今后，人們也許可以通過雞飼料來調(diào)整雞糞的化學(xué)成分，得到的摻雜石墨烯的效果可以進(jìn)一步提高，鳥糞可以再次高附加值產(chǎn)品，當(dāng)然，有了如此巨大的優(yōu)勢，希望人類這一次不要因為鳥糞而引發(fā)戰(zhàn)爭。