澳大利亚格里菲斯大学的姚向东教授课题组最近就设计了一组简单的实验，研究了石墨烯掺杂后以及去掉杂原子后催化剂的ORR性能，并结合DFT计算分析其催化机理。实验方法如下图，石墨烯与三聚氰胺在700oC惰性气氛下退火得到氮原子掺杂的石墨烯（NG），进一步1150oC条件下退火两小时得到具有缺陷结构的石墨烯（DG）。
利用XPS、Raman对石墨烯以及处理后的NG和DG进行了表征，发现在700oC退火条件下有N原子的信号，而在本征石墨烯和1150oC处理后的DG中均未发现N的存在。利用拉曼也能发现，随着掺杂以及去掺杂处理，其缺陷程度逐渐提高，Id/Ig的数值依次为0.89、1.06、1.13。在高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜的帮助下更明显的检测到了缺陷位的存在，如下图f所示。除了石墨烯本身具有的六边形结构外，在DG中发现了五边形、七边形和八边形的缺陷。
图3.对材料的XPS、Raman、TEM、HAADF-STEM以及AFM的表征
为了解释这一现象，他们课题组利用DFT计算探究其催化过程，如图所示，根据HAADF-STEM观测到的形貌，他们分别构造了五边形缺陷、585缺陷和7557缺陷，并对其每个位点的催化反应步骤进行了能量计算，计算结果总结在表1中可以明显归纳为：缺陷5-1和7557-1位点对ORR的催化活性最高；585-1对OER的催化活性最高；而7557-1和7557-4对HER的催化活性最高。这些结果表明制造的不同石墨烯缺陷位点对不同反应的催化活性作用不同，合理的解释了缺陷对电催化的贡献。
表1.不同反应在不同缺陷位点的反应能垒
原文：JiaY,ZhangL,DuA,etal.Defectgrapheneasatrifunctionalcatalystforelectrochemicalreactions[J].AdvancedMaterials,2016,28(43):9532-9538.
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