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氮摻雜石墨烯與石墨相氮化碳復合材料的研究進展及創(chuàng)新制備方法

更新時間:2025-06-23點擊次數(shù):83

氮摻雜石墨烯(N-doped graphene)作為無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(ORR)等電化學過程中,性能提升效**著。目前,三聚氰胺(melamine)因高達 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?)作為半導體材料,因化學穩(wěn)定性高,在光催化水分解和有機合成中備受關(guān)注。若將其與還原氧化石墨烯(rGO)復合,可結(jié)合兩者優(yōu)勢,增強機械強度與電荷傳輸效率,為高效金屬 - 碳催化體系的開發(fā)提供新思路。


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傳統(tǒng)氮摻雜工藝需在 800–1000°C 的高溫惰性氣氛下進行,存在能耗高、技術(shù)門檻高的問題。盡管有研究嘗試在空氣環(huán)境中低溫實現(xiàn)同步還原與氮摻雜,但反應條件與產(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)混合物的熱分解機制尚不明確,尤其在空氣環(huán)境中,其抗氧化保護機制及氮摻雜效率需進一步驗證。此外,復合材料的組分比例與熱處理溫度對產(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合成等領(lǐng)域的規(guī)?;瘧门c性能優(yōu)化。

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針對上述現(xiàn)狀,海外研究團隊采用澤攸科技 ZEM 系列臺式掃描電鏡,開展了 “干法" 機械混合氧化石墨烯與三聚氰胺的研究。該團隊在空氣環(huán)境中通過 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"。

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研究方法與關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

1.材料制備與表征

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

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2.結(jié)構(gòu)與形貌分析

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

SEM 觀察:復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 GO 與三聚氰胺比例為 1:2、550℃熱處理時,g-C?N?含量較高,氮含量達 35.56%。

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研究創(chuàng)新與應用價值

該研究開發(fā)了簡便經(jīng)濟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℃)對產(chǎn)物組成的影響規(guī)律。所得 rGO/g-C?N?復合材料可作為金屬納米顆粒載體,為高效電催化體系的開發(fā)奠定基礎。

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設備優(yōu)勢:澤攸科技 ZEM 系列臺式掃描電鏡

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經(jīng)濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇,適用于形貌觀測和成分分析,還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環(huán)境要求低,不挑樓層,操作簡單,非專業(yè)人士也能快速上手,且購買及維護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*選設備之一。

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