虽然可控定制无金属碳基催化剂的微观结构，为增强氧电极的双功能性能提供了可行的路径，但由于ORR和OER的动力学缓慢，这仍是一个巨大的挑战。这里，设计了湿法球磨诱导缺陷辅助原位热解策略，制备了N，S和P三掺杂石墨烯（NSP-Gra）。球磨过程中由于强烈的机械剪切力，使得石墨烯中产生了结构缺陷，这对于有效掺杂杂原子非常有利。NSP-Gra在6.0 M KOH中，10 mA cm-2电流密度下，显示出优异的ORR和OER双功能催化活性。惊奇的是，NSP-Gra作为阴极组装的锌空电池显示出高的功率密度达225 mW cm-2，并具有长期的充放电循环稳定性。NSP-Gra显示出增强电化学性能，这可归因于杂原子掺杂导致的快速电荷传输能力和丰富的活性位点。
 
  
Figure 1. （a）N，S和P三掺杂石墨烯的制造过程示意图； 初始石墨烯（b）和NSP-Gra（c）的TEM形态;（d）NSP-Gra的元素映射。样品的拉曼光谱（e），XRD光谱（f）和N2吸附等温曲线（g）。
 
  
Figure 2.（a）样品的XPS光谱；（b）NSP-Gra的C1s，（c）N1s，（d）S2p和（e）P2p XPS光谱；（f）NSP-Gra中元素的化学形式。
 
  
Figure 3. （a）样品在O2饱和的0.1 M KOH下ORR的CV曲线，载量和扫描速率分别为200 μg cm-2和5 mV s-1; （b）ORR的LSV曲线，扫描速度和旋转速度分别为5 mV s-1和1600 rpm；（c）样品的起始电势和半波电势；（d）塔菲尔斜率；（e）NSP-Gra的电子转移数和H2O2产率的曲线图；（f）NSP-Gra在 5000次循环前后的LSV曲线。
 
 
Figure 4.（a）样品在0.1 M KOH中OER的 LSV曲线，扫描速率和旋转速率分别为5 mV s-1和1600 rpm；（b）催化剂在0.1 M KOH的LSV曲线;（c）NS-Gra和NSP-Gra的电化学阻抗谱；（d）NS-Gra和NSP-Gra的扫描速率与电容性电流密度的线性拟合图；（e）掺杂杂原子对石墨烯催化ORR和OER过程中的影响。
 
 
         该研究工作由东华大学Jinli Qiao课题组于2020年发表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上。原文：Large-scale defect-engineering tailored tri-doped graphene as a metal-free bifunctional catalyst for superior electrocatalytic oxygen reaction in rechargeable Zn-air battery。

转自《石墨烯杂志》公众号