氮摻雜石墨烯與石墨相氮化碳復(fù)合材料的研究進(jìn)展及創(chuàng)新制備方法

氮摻雜石墨烯（N-doped graphene）作為無(wú)金屬催化劑及金屬納米顆粒載體，在電催化、光催化和環(huán)境凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。其*特的電子結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)源于氮原子的引入，尤其在氧還原反應(yīng)（ORR）等電化學(xué)過(guò)程中，性能提升效**著。目前，三聚氰胺（melamine）因高達(dá) 66.7% 的氮含量成為常用氮源，而熱處理技術(shù)是制備該材料的主流方法。此外，石墨相氮化碳（g-C?N?）作為半導(dǎo)體材料，因化學(xué)穩(wěn)定性高，在光催化水分解和有機(jī)合成中備受關(guān)注。若將其與還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合，可結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度與電荷傳輸效率，為高效金屬 - 碳催化體系的開(kāi)發(fā)提供新思路。

傳統(tǒng)氮摻雜工藝需在 800–1000°C 的高溫惰性氣氛下進(jìn)行，存在能耗高、技術(shù)門檻高的問(wèn)題。盡管有研究嘗試在空氣環(huán)境中低溫實(shí)現(xiàn)同步還原與氮摻雜，但反應(yīng)條件與產(chǎn)物性能的平衡仍具挑戰(zhàn)性。例如，三聚氰胺與氧化石墨烯（GO）混合物的熱分解機(jī)制尚不明確，尤其在空氣環(huán)境中，其抗氧化保護(hù)機(jī)制及氮摻雜效率需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，復(fù)合材料的組分比例與熱處理溫度對(duì)產(chǎn)物中 rGO、g-C?N?的相構(gòu)成及氮含量的影響缺乏系統(tǒng)性研究，限制了材料在電催化有機(jī)合成等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用與性能優(yōu)化。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，海外研究團(tuán)隊(duì)采用澤攸科技 ZEM 系列臺(tái)式掃描電鏡，開(kāi)展了 “干法” 機(jī)械混合氧化石墨烯與三聚氰胺的研究。該團(tuán)隊(duì)在空氣環(huán)境中通過(guò) 450–550°C 熱處理，成功制備了以 rGO 和 g-C?N?為主的氮摻雜碳材料，相關(guān)成果發(fā)表于《Eurasian Journal of Chemistry》期刊，題為 “N-Containing Graphene Preparation Using Melamine as a Nitrogen Source”。

研究方法與關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1.材料制備與表征

研究團(tuán)隊(duì)以 GO 和三聚氰胺為原料，通過(guò)機(jī)械混合后在空氣環(huán)境中熱處理（450–550℃），制備了 rGO/g-C?N?復(fù)合材料。該方法突破了傳統(tǒng)工藝對(duì)惰性氣氛和高溫的依賴，為低成本制備提供了新思路。通過(guò)改進(jìn)的 Hummers 法制備 GO 后，利用 Boehm 滴定法分析其表面含氧官能團(tuán)（羥基、羧基、環(huán)氧基團(tuán)），并通過(guò)熱重分析（TGA）發(fā)現(xiàn)：三聚氰胺在 300–400℃分解時(shí)釋放的氨氣（NH?）可保護(hù)石墨烯免于快速氧化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮摻雜。

2.結(jié)構(gòu)與形貌分析

XRD 與 FTIR：證實(shí) 500–550℃熱處理后產(chǎn)物中同時(shí)存在 rGO 和 g-C?N?兩相。

SEM 觀察：復(fù)合材料中石墨烯層呈剝離狀態(tài)，厚度 7–45nm，表面覆蓋三聚氰胺熱處理產(chǎn)物。

元素分析：當(dāng) GO 與三聚氰胺比例為 1:2、550℃熱處理時(shí)，g-C?N?含量較高，氮含量達(dá) 35.56%。

研究創(chuàng)新與應(yīng)用價(jià)值

該研究開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的氮摻雜石墨烯制備方法，明確了原料配比（1:2）與熱處理溫度（550℃）對(duì)產(chǎn)物組成的影響規(guī)律。所得 rGO/g-C?N?復(fù)合材料可作為金屬納米顆粒載體，為高效電催化體系的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

設(shè)備優(yōu)勢(shì)：澤攸科技 ZEM 系列臺(tái)式掃描電鏡

澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購(gòu)買及維護(hù)成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的*選設(shè)備之一。