图1：杂原子取代rFG的合成过程。(a) 杂原子取代再闪蒸过程的示意图。(b) FJH过程与其他后处理过程的时间-温度尺度对比。(c) 在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。
图1展示了杂原子取代再闪蒸石墨烯的合成过程和关键参数。通过改进的FJH技术，在非密闭反应室中实现了高效杂原子取代，避免了传统方法对加压密封系统的需求。图1d显示，氮取代达到7.68 at%，氟取代高达9.55 at%，证明了该方法的高效性。质量产率（图1e）均在70%以上，表明该过程具有较好的产率和经济性。
图2：N-rBACFG的光谱和显微图像。(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，证实了样品的涡轮层状堆叠。(c) N-rBACFG的XRD图谱。(d) XPS N 1s峰的解卷积。(e) N-rBACFG的XPS深度扫描分析。(f) BET比表面积分析。(g) N-rBACFG与起始材料BACFG在空气中的TGA比较（25-1000°C，升温速率10°C/min）。(h) N-rBACFG的TEM图像。(i) 同一区域的高倍TEM图像，插图为FFT图。
图2对N-rBACFG进行了全面表征。拉曼光谱（图2a,b）显示I₂D/G比为0.69，I_D/G比为0.49，石墨烯产率达99%，表明材料具有高结晶质量和一定缺陷密度，这是杂原子掺杂的积极指标。XRD分析（图2c）显示（002）峰位于25.99°，对应层间距为3.432 Å，比未取代rBACFG（3.412 Å）有所增加，证实了氮原子的成功取代。XPS分析（图2d）表明氮总含量为7.68 at%，其中吡啶氮占65.72%，吡咯氮占19.04%，石墨氮占15.25%。深度扫描分析（图2e）显示氮原子在表面和近表面区域富集。BET分析（图2f）显示比表面积从BAC的965 m²/g降至N-rBACFG的30 m²/g，这主要是再闪蒸过程和杂原子取代导致的孔结构变化所致。TGA分析（图2g）显示N-rBACFG的分解温度（505°C）低于BACFG（593°C），这是由于C-N键比C-C键更容易氧化。TEM图像（图2h,i）显示纳米尺寸的石墨烯片具有清晰的晶格条纹和涡轮层状堆叠结构，FFT图证实了良好的晶体结构。
图3：杂原子取代闪蒸石墨烯的表征。(a-c) F-rBACFG的拉曼、XRD和XPS光谱。(d-f) S-rBACFG的拉曼、XRD和XPS光谱。(g-i) P-rBACFG的拉曼、XRD和XPS光谱。每个拉曼测量在100个点进行，每个点测量两次。平均拉曼光谱以黑线表示，标准偏差以灰色区域表示。
图3展示了氟、硫、磷取代BACFG的表征结果。拉曼光谱均显示D峰强度增加，这是由于杂原子引入降低了晶格对称性。XRD分析显示层间距均有不同程度增加（氟取代增加约6.5%），这是杂原子成功取代的又一证据。XPS分析确定F-rBACFG、S-rBACFG和P-rBACFG的杂原子含量分别为9.55 at%、2.06 at%和1.01 at%。原子半径较大的硫和磷的取代率较低，这与预期一致，因为大原子引入会导致更大的晶格失配，甚至中断晶格堆叠。
图4：多杂原子共取代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。
图4展示了多杂原子共取代的结果。B,N-rBACFG的总杂原子含量为12.95 at%（硼7.44 at%，氮5.51 at%），B,N,S-rBACFG的总杂原子含量高达17.77 at%（硼6.73 at%，氮9.62 at%，硫1.42 at%），比先前报道的值提高了25-32%。拉曼和XRD光谱（图4a,b,f,g）表明共取代后石墨烯仍保持晶体结构，但石墨烯产率和结晶度有所下降，这可能是由于高杂原子含量导致的。XPS高分辨率元素图谱（图4c,d,h-j）显示了各种杂原子的化学状态解卷积。TEM图像（图4e,k）显示了所得产品的形貌，证实了材料的石墨化结构。
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0.2 C下的循环稳定性。(b) rBACFG负极在不同循环次数下的充放电曲线。(c) N-rBACFG负极在不同循环次数下的充放电曲线。(d) BACFG负极（蓝点）和N-rBACFG负极（红点）的倍率性能。(e) rBACFG负极在不同扫描速率下的CV曲线。(f) N-rBACFG负极在不同扫描速率下的CV曲线。(g) rBACFG和N-rBACFG的CV曲线中峰值电流密度与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。
图5展示了rBACFG和N-rBACFG作为锂离子电池负极的电化学性能。循环稳定性测试（图5a）显示，N-rBACFG在500次循环后容量保持率约93%，远高于rBACFG的34%。倍率性能测试（图5d）表明N-rBACFG在各倍率下均表现出更高的比容量。CV曲线（图5e,f）和峰值电流密度与扫描速率的拟合（图5g）表明两种负极的Li⁺储存均以扩散控制的法拉第过程为主。GITT测量（图5h）显示N-rBACFG具有更高的Li⁺扩散系数，尤其是在0.4-0.8V范围内，表明氮取代提高了Li⁺扩散动力学。EIS谱（图5i）显示N-rBACFG具有更低的电荷转移电阻（R_ct = 48Ω）且循环后保持稳定，而rBACFG的R_ct增加了50%，表明氮取代有助于形成稳定的SEI层，减少副反应。