Heteroatom-Substituted Re-Flashed Graphene

杂原子取代的再闪蒸石墨烯

第一作者: Phelecia Scotland, Lucas Eddy

通讯作者: James M. Tour (tour@rice.edu)

所属机构: 莱斯大学材料科学与纳米工程系、化学系

DOI: 待补充

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期刊名称: 待补充

发表年份: 待补充

论文亮点

  1. 开发了一种改进的闪蒸焦耳加热技术，可在石墨烯晶格中实现高达21 at%的杂原子取代
  2. 该方法在非密闭条件下进行，降低了设备成本，实现了单批次高达3克杂原子取代石墨烯的规模化生产

研究背景

研究方法

  1. 使用无定形碳原料(烟煤活性炭BAC和冶金焦MC)通过FJH制备闪蒸石墨烯(FG)
  2. 将FG与杂原子供体化合物(三聚氰胺甲醛树脂、硼酸、聚苯硫醚等)按特定比例混合研磨
  3. 将混合物装入石英反应管，在氩气气氛下进行再闪蒸处理
  4. 采用45-55V预处理闪蒸使杂原子源熔融/降解，随后使用80-100V主闪蒸实现杂原子取代
  5. 通过拉曼光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱等技术对产物进行表征
  6. 将氮取代石墨烯(N-rBACFG)应用于锂离子电池负极评估其电化学性能

主要结论

成功实现了氮、硫、磷、氟等多种杂原子在石墨烯晶格中的高效取代，氮取代量可达7.68 at%，总杂原子含量最高达20.87 at%
氮取代石墨烯作为锂离子电池负极材料表现出优异的性能，500次循环后容量保持率高达93%，远高于未取代石墨烯的34%
再闪蒸工艺简单、高效、可扩展，无需催化剂和溶剂，为大规模生产杂原子取代石墨烯材料提供了可行途径

图1: 杂原子取代再闪蒸石墨烯的合成

图1 杂原子取代再闪蒸石墨烯合成示意图
图1. 从rFG合成杂原子取代-rFG。(a)杂原子取代再闪蒸过程示意图。(b)FJH过程和其他后处理过程的时间-温度尺度。(c)100V下合成P-rBACFG的电流和温度曲线。(d)各种杂原子取代到BACFG中的原子百分比。(e)不同杂原子取代rBACFG的反应质量产率。

分析结果:

图2: N-rBACFG的光谱和显微分析

图2 N-rBACFG的光谱和显微图像
图2. N-rBACFG的光谱谱和显微图像。(a)N-rBACFG的平均拉曼光谱。(b)高分辨率拉曼光谱显示TS₁和TS₂峰的存在以及M峰的缺失，证实了这些样品中石墨烯的乱层堆叠。(c)N-rBACFG的XRD图谱。(d)XPS N1s峰的反卷积。总氮浓度为7.68%。(e)N-rBACFG的XPS深度扫描分析。(f)BET比表面积分析。(g)N-rBACFG和起始材料BACFG在空气中的TGA比较。(h)N-rBACFG的TEM图像。(i)图2h同一区域的高倍TEM图像。插图为FFT图。

分析结果:

图3: 其他杂原子取代BACFG的表征

图3 杂原子取代闪蒸石墨烯表征
图3. 杂原子取代闪蒸石墨烯的表征。a-c) F-rBACFG, d-f) S-rBACFG 和 g-i) P-rBACFG的拉曼、XRD和XPS光谱。每个拉曼测量在100个点上进行，每个点测量两次。平均拉曼光谱显示为黑线，标准偏差显示为平均光谱周围的灰色区域。

分析结果:

图4: 杂原子多元取代rBACFG的表征

图4 杂原子多元取代rBACFG表征
图4. 杂原子多元取代rBACFG的表征。a-e) B, N-rBACFG的表征。f-k) B, N, S-rBACFG的表征。(a)平均拉曼光谱；黑线和灰色阴影分别表示100个采样点上200次测量的平均值和标准偏差。(b)XRD图谱。(c-d)XPS元素分析。(e)石墨片的TEM图像。(f)B, N, S-rBACFG的拉曼光谱。(g)XRD图谱。(h-j)XPS元素分析。(k)TEM图像。

分析结果:

图5: N-rBACFG的锂离子电池性能

图5 BACFG和N-BACFG负极的LIB性能
图5. BACFG和N-BACFG负极的LIB性能。(a)rBACFG负极(蓝点)和N-rBACFG负极(红点)在0.2C下的循环稳定性。(b)不同循环次数下rBACFG负极的充放电曲线。(c)不同循环次数下N-rBACFG负极的充放电曲线。(d)BACFG负极(蓝点)和N-rBACFG负极(红点)的倍率容量。(e)不同扫描速率下rBACFG负极的CV曲线。(f)不同扫描速率下N-rBACFG负极的CV曲线。(g)rBACFG和N-rBACFG的CV曲线中峰值电流密度和电位扫描速率的拟合线。(h)充电过程中BACFG负极(蓝线)和N-rBACFG负极(红线)的Li⁺扩散系数。(i)循环前后rBACFG负极(蓝线)和N-rBACFG负极(红线)的奈奎斯特图。

分析结果: