为什么氮掺杂石墨烯的最新进展值得关注？

2025-06-10

为了使石墨烯材料获得更加广泛的应用，功能化改性处理一直都被作为一个研究热点而被广泛深入研究。氮原子掺杂是一种既能保持纳米石墨烯π体系完整性，同时又能显著调控其物理化学性质的有效策略。

氮原子具有比其它无机非金属原子更接近于碳原子的大小，故与石墨烯之间的相容性好，易于掺杂进入石墨烯的晶格当中，这意味着氮掺杂石墨烯（NG）具有较高的稳定性和耐久性。

更重要的是，N元素的掺入能够增强石墨烯材料的电负性，其原因是生成的N-C键可以使毗邻氮原子的碳原子带有更多的正电荷，电子吸附性的增强将为催化氧化还原反应创造更佳的条件。

本期小丰整理了3篇氮掺杂石墨烯的最新研究进展，一起看下吧~

Chemical Engineering Journal

非金属碘单原子催化剂锚定氮掺杂石墨烯用于高性能锂硫电池

锂硫电池具有高理论比容量和能量密度，但是由于电化学反应的复杂性，锂硫电池存在充放电产物导电性差、多硫化锂（LiPSs）溶解穿梭、硫体积膨胀等问题。因此，设计和开发合适的硫正极宿主材料是克服锂硫电池挑战的有效策略。

2025年1月6日，期刊Chemical Engineering Journal报道研究人员将亲硫的单原子碘引入亲锂的氮掺杂石墨烯（SAI-NC）中作为硫正极宿主材料用于高性能锂-硫电池，旨在通过改善多硫化物的吸附和加速多硫化物的转化来提高锂硫电池的性能。

在该项工作中，研究人员以沥青为碳源、氢碘酸为碘源，通过高温热解，同时实现了氮掺杂石墨烯的合成和单原子碘的锚定，得到了SAI-NC。氮掺杂石墨烯具有超薄片层结构，碘单原子在其上均匀分散。碘单原子通过与氮掺杂石墨烯形成C-N-I共价键，提高了对多硫化锂的吸附能，可以有效地吸附LiPSs，阻止它们向负极穿梭。

Li2S6对称电池表明在相同电位下，与NC@S和I-C@S正极的电池相比，SAI-NC@S正极的电池表现出更高的峰值电流密度，表明单原子碘促进LiPS的转化和更快的反应动力学。

此外，研究发现，SAI-NC表面的Li2S沉积具有最大的峰值电流、最短的响应时间以及最大的沉积容量，并且单原子碘有利于Li2S的均匀沉积。EIS表明SAI-NC@S正极具有比I-C@S和NC@S优越的电子转移和离子扩散能力，以及良好的多硫化物转化动力学性能。

这项工作有助于更深入地了解非金属单原子对多硫化锂的吸附和催化作用，并为解决锂硫电池中的穿梭问题提供有效途径。

文献名称：Non-metal iodine single-atom catalysts anchored on N-doped graphene for high-performance lithium-sulfur battery

Environmental Science & Technology

Ti4O7异质结复合膜封装氮掺杂石墨烯纳米片用于含氟废水中GenX和其他PFAS高效电氧化

氟化工污水中存在数百种PFAS且化学结构高度复杂多样，解决PFAS带来的公共卫生危机一直是研究人员关注的问题。电氧化技术被证明可以有效降解PFAS，其中低成本Ti4O7基电极在PFAS废水处理中受到越来越多的关注。合理的电催化剂界面工程设计，如异质结结构，可以有效地提高其催化活性。

2025年2月26日，期刊Environmental Science & Technology报道了一种高度稳定的界面工程策略，即使用导电无机CeO2作为“水泥”，将N掺杂的氧化石墨烯纳米片(N-GS)牢固地封装在Ti4O7表面，用于解决处理废水相关的关键挑战&电极长期运行的稳定性问题。

研究发现，包裹在Ti4O7表面的富缺陷N-GS显著增强了界面电荷转移。这种增强导致N-GS/CeO2@Ti4O7异质结复合电极在六氟环氧丙烷二聚酸(HFPO-DA或GenX)的电氧化中表现出优异的效率。在800L m−2h−1下，2.2 V下对Ag/AgCl进行100h的连续氧化OA，N-GS/CeO2@Ti4O7膜表现出良好的稳定性，OA的氧化效率没有降低，甚至表现出持续的提高。

此外，流通式N-GS/CeO2@Ti4O7反应性电化学膜系统可有效矿化真实含氟化合物废水样品中的其他35种PFAS，实现70-90%的高脱氟率，并在PFAS破坏和能效方面表现出优于UV/KI-SO32−工艺的性能。

该研究结果加深了对PFAS电化学氧化的理解，并为稳定化Ti4O7异质结复合材料的设计提供了有价值的见解。这些发现有助于推进PFAS污染环境的有效处理方法的发展。

文献名称：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

超弹性PDMS复合材料中的可变形MXene-rNGO导电网络增强EMI屏蔽和机械稳定性

由于传统的导电复合材料在变形过程中很脆弱，导致电磁干扰（EMI）屏蔽效率（SE）降低。2025年1月31日，期刊Composites Part B: Engineering报道研究人员通过组装多个柔性界面，创新性地构建了一种可变形导电网络，为制备超弹性EMI屏蔽复合材料提供了新的策略。

在该项工作中，研究人员在热膨胀微球表面先后涂覆了不同表面电荷的N掺杂氧化石墨烯（rNGO）和MXene纳米片，从而构建了具有柔性拼接界面的导电外壳。然后，将组装好的功能微球（TM@rNG-MX）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）杂化，再经热膨胀得到多功能PDMS/TM@rNG-MX复合材料。复合材料上的rNGO和MXene之间的动态连接可有效建立三维可变形导电网络，即使PDMS复合材料发生显著变形（应变为80%），这些网络仍能保持完好。

令人惊讶的是，在rNGO和MXene填料含量较低（2.6wt%）的情况下，PDMS/TM@rNG-MX的EMI SE（X波段）达到了48.8dB，并且在拉伸后保持稳定。此外，PDMS/TM@rNG-MX还具有优异的超弹性和抗疲劳性能，压缩80%时的能量损失系数达到72.03%，表明其吸收冲击能量的能力非同一般。

本研究提出了一种创新方法，可有效增强PDMS/TM@rNG-MX的力学性能。

文献名称：Enhanced EMI shielding and mechanical stability via deformable MXene-rNGO conductive networks in superelastic PDMS composite

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