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為什么氮摻雜石墨烯的最新進(jìn)展值得關(guān)注？

先豐納米 2025-06-10 | 閱讀：449

為了使石墨烯材料獲得更加廣泛的應(yīng)用，功能化改性處理一直都被作為一個(gè)研究熱點(diǎn)而被廣泛深入研究。氮原子摻雜是一種既能保持納米石墨烯π體系完整性，同時(shí)又能顯著調(diào)控其物理化學(xué)性質(zhì)的有效策略。

氮原子具有比其它無機(jī)非金屬原子更接近于碳原子的大小，故與石墨烯之間的相容性好，易于摻雜進(jìn)入石墨烯的晶格當(dāng)中，這意味著氮摻雜石墨烯（NG）具有較高的穩(wěn)定性和耐久性。

更重要的是，N元素的摻入能夠增強(qiáng)石墨烯材料的電負(fù)性，其原因是生成的N-C鍵可以使毗鄰氮原子的碳原子帶有更多的正電荷，電子吸附性的增強(qiáng)將為催化氧化還原反應(yīng)創(chuàng)造更佳的條件。

本期小豐整理了3篇氮摻雜石墨烯的最新研究進(jìn)展，一起看下吧~

Chemical Engineering Journal

非金屬碘單原子催化劑錨定氮摻雜石墨烯用于高性能鋰硫電池

鋰硫電池具有高理論比容量和能量密度，但是由于電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，鋰硫電池存在充放電產(chǎn)物導(dǎo)電性差、多硫化鋰（LiPSs）溶解穿梭、硫體積膨脹等問題。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)合適的硫正極宿主材料是克服鋰硫電池挑戰(zhàn)的有效策略。

2025年1月6日，期刊Chemical Engineering Journal報(bào)道研究人員將親硫的單原子碘引入親鋰的氮摻雜石墨烯（SAI-NC）中作為硫正極宿主材料用于高性能鋰-硫電池，旨在通過改善多硫化物的吸附和加速多硫化物的轉(zhuǎn)化來提高鋰硫電池的性能。

在該項(xiàng)工作中，研究人員以瀝青為碳源、氫碘酸為碘源，通過高溫?zé)峤?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氮摻雜石墨烯的合成和單原子碘的錨定，得到了SAI-NC。氮摻雜石墨烯具有超薄片層結(jié)構(gòu)，碘單原子在其上均勻分散。碘單原子通過與氮摻雜石墨烯形成C-N-I共價(jià)鍵，提高了對多硫化鋰的吸附能，可以有效地吸附LiPSs，阻止它們向負(fù)極穿梭。

Li2S6對稱電池表明在相同電位下，與NC@S和I-C@S正極的電池相比，SAI-NC@S正極的電池表現(xiàn)出更高的峰值電流密度，表明單原子碘促進(jìn)LiPS的轉(zhuǎn)化和更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，SAI-NC表面的Li2S沉積具有最大的峰值電流、最短的響應(yīng)時(shí)間以及最大的沉積容量，并且單原子碘有利于Li2S的均勻沉積。EIS表明SAI-NC@S正極具有比I-C@S和NC@S優(yōu)越的電子轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散能力，以及良好的多硫化物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)性能。

這項(xiàng)工作有助于更深入地了解非金屬單原子對多硫化鋰的吸附和催化作用，并為解決鋰硫電池中的穿梭問題提供有效途徑。

文獻(xiàn)名稱：Non-metal iodine single-atom catalysts anchored on N-doped graphene for high-performance lithium-sulfur battery

Environmental Science & Technology

Ti4O7異質(zhì)結(jié)復(fù)合膜封裝氮摻雜石墨烯納米片用于含氟廢水中GenX和其他PFAS高效電氧化

氟化工污水中存在數(shù)百種PFAS且化學(xué)結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜多樣，解決PFAS帶來的公共衛(wèi)生危機(jī)一直是研究人員關(guān)注的問題。電氧化技術(shù)被證明可以有效降解PFAS，其中低成本Ti4O7基電極在PFAS廢水處理中受到越來越多的關(guān)注。合理的電催化劑界面工程設(shè)計(jì)，如異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以有效地提高其催化活性。

2025年2月26日，期刊Environmental Science & Technology報(bào)道了一種高度穩(wěn)定的界面工程策略，即使用導(dǎo)電無機(jī)CeO2作為“水泥”，將N摻雜的氧化石墨烯納米片(N-GS)牢固地封裝在Ti4O7表面，用于解決處理廢水相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)&電極長期運(yùn)行的穩(wěn)定性問題。

研究發(fā)現(xiàn)，包裹在Ti4O7表面的富缺陷N-GS顯著增強(qiáng)了界面電荷轉(zhuǎn)移。這種增強(qiáng)導(dǎo)致N-GS/CeO2@Ti4O7異質(zhì)結(jié)復(fù)合電極在六氟環(huán)氧丙烷二聚酸(HFPO-DA或GenX)的電氧化中表現(xiàn)出優(yōu)異的效率。在800L m?2h?1下，2.2 V下對Ag/AgCl進(jìn)行100h的連續(xù)氧化OA，N-GS/CeO2@Ti4O7膜表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，OA的氧化效率沒有降低，甚至表現(xiàn)出持續(xù)的提高。

此外，流通式N-GS/CeO2@Ti4O7反應(yīng)性電化學(xué)膜系統(tǒng)可有效礦化真實(shí)含氟化合物廢水樣品中的其他35種PFAS，實(shí)現(xiàn)70-90%的高脫氟率，并在PFAS破壞和能效方面表現(xiàn)出優(yōu)于UV/KI-SO32?工藝的性能。

該研究結(jié)果加深了對PFAS電化學(xué)氧化的理解，并為穩(wěn)定化Ti4O7異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的見解。這些發(fā)現(xiàn)有助于推進(jìn)PFAS污染環(huán)境的有效處理方法的發(fā)展。

文獻(xiàn)名稱：Durable Ti4O7 Heterojunction Composite Membrane Encapsulating N-Doped Graphene Nanosheets for Efficient Electro-Oxidation of GenX and Other PFAS in Fluorochemical Wastewater

Composites Part B: Engineering

超彈性PDMS復(fù)合材料中的可變形MXene-rNGO導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)EMI屏蔽和機(jī)械穩(wěn)定性

由于傳統(tǒng)的導(dǎo)電復(fù)合材料在變形過程中很脆弱，導(dǎo)致電磁干擾（EMI）屏蔽效率（SE）降低。2025年1月31日，期刊Composites Part B: Engineering報(bào)道研究人員通過組裝多個(gè)柔性界面，創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種可變形導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為制備超彈性EMI屏蔽復(fù)合材料提供了新的策略。

在該項(xiàng)工作中，研究人員在熱膨脹微球表面先后涂覆了不同表面電荷的N摻雜氧化石墨烯（rNGO）和MXene納米片，從而構(gòu)建了具有柔性拼接界面的導(dǎo)電外殼。然后，將組裝好的功能微球（TM@rNG-MX）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）雜化，再經(jīng)熱膨脹得到多功能PDMS/TM@rNG-MX復(fù)合材料。復(fù)合材料上的rNGO和MXene之間的動(dòng)態(tài)連接可有效建立三維可變形導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，即使PDMS復(fù)合材料發(fā)生顯著變形（應(yīng)變?yōu)?0%），這些網(wǎng)絡(luò)仍能保持完好。

令人驚訝的是，在rNGO和MXene填料含量較低（2.6wt%）的情況下，PDMS/TM@rNG-MX的EMI SE（X波段）達(dá)到了48.8dB，并且在拉伸后保持穩(wěn)定。此外，PDMS/TM@rNG-MX還具有優(yōu)異的超彈性和抗疲勞性能，壓縮80%時(shí)的能量損失系數(shù)達(dá)到72.03%，表明其吸收沖擊能量的能力非同一般。

本研究提出了一種創(chuàng)新方法，可有效增強(qiáng)PDMS/TM@rNG-MX的力學(xué)性能。

文獻(xiàn)名稱：Enhanced EMI shielding and mechanical stability via deformable MXene-rNGO conductive networks in superelastic PDMS composite

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