莱斯大学James M. Tour团队在《ACS Nano》上发表的这项研究，通过改进的闪蒸焦耳加热技术（Reflashed Joule Heating）实现了石墨烯的高效异质原子掺杂，为大规模制备高性能掺杂石墨烯提供了新范式。传统闪蒸焦耳加热法（如该团队此前开发的Flash Graphene技术）将含碳前驱体（如废塑料、焦炭）瞬间加热至3000K以上，生成缺陷较多的闪石墨烯（Flashed Graphene）。（本研究创新）：将闪石墨烯与异质原子供体（如含氮的尿素、含硼的硼酸）混合，二次闪蒸处理（Reflash），在高温下使异质原子直接嵌入石墨烯晶格，实现高达18 at.%的掺杂浓度（传统CVD通常<10 at.%）。开放式电脉冲处理简化设备要求，单次反应时间仅数百毫秒，能耗低于传统方法90%（Tour团队早期研究显示闪蒸法能耗约7.2 kJ/g）。瞬时超高温（>2500K）使石墨烯局部晶格“熔融”，异质原子通过动态热力学平衡插入碳网络，冷却后形成稳定掺杂结构（DFT计算支持N优先取代碳或形成吡啶/吡咯结构）。氮掺杂诱导更多锂吸附位点（吡啶氮提供孤对电子），同时抑制石墨烯层间堆叠。Tour团队的这项研究通过“闪蒸-掺杂”一体化策略，解决了传统方法在效率、成本和均匀性上的痛点，为石墨烯在能源存储领域的商业化应用提供了关键技术支撑。下一步需聚焦工艺放大与多场景适配性验证（如全电池测试），但其颠覆性技术路线已为产业化注入强心剂。

图文示意

         拉曼光谱分析（图2a-b）D峰（~1350 cm⁻¹）：缺陷诱导的呼吸模式，高ID/G比值（可能>1）表明氮掺杂引入大量缺陷（如空位、边缘缺陷或杂原子扰动）。G峰（~1580 cm⁻¹）：sp²碳的平面振动，峰宽变化可反映掺杂引起的晶格应变。2D峰（~2700 cm⁻¹）：层间堆叠敏感信号，单层石墨烯通常显示对称单峰，而turbostratic堆叠（随机旋转层间取向）会导致2D峰展宽或分裂（TS1/TS2子峰）。M峰（~1800 cm⁻¹）缺失：排除AB堆叠有序结构，支持turbostratic无序性。氮掺杂通过破坏sp²网络增加缺陷密度，但turbostratic结构可能保留高电导率，有利于电化学应用（如电容储能）。XRD表征（图2c）原始石墨烯（002）峰通常在~26°（层间距~0.34 nm）。N-rBACFG的峰向低角度移动，表明层间距扩大（如0.35-0.37 nm），源于氮原子嵌入晶格或层间插层。层间距增大可能提升离子传输速率（如电解液离子嵌入），但可能降低面内导电性。表面富集（图2e）：氮浓度梯度分布（表面>体相）表明掺杂过程受扩散限制，表面活性位点可能主导催化/吸附性能。比表面积与热稳定性（图2f-g）氮掺杂导致部分微孔堵塞或石墨烯片层堆叠更紧密。需结合孔径分布分析判断是否保留介孔/大孔。N-rBACFG的热分解温度偏移可能源于氮官能团的热不稳定性（如吡啶氮在高温下分解），或掺杂引起的碳骨架稳定性变化。TEM与FFT分析（图2h-i）褶皱/弯曲的石墨烯片层是典型掺杂或还原过程的产物。FFT图样若显示六方衍射斑点（但无AB堆叠周期性），可验证turbostratic结构；若出现多晶环，则表明局部无序度更高。缺陷和氮官能团提供活性位点，增强催化/传感性能。表面富集氮优化电极-电解液界面电荷转移。高缺陷密度可能降低载流子迁移率，需平衡导电性与活性位点数量。层间距扩大可能影响机械强度，需考察实际应用中的稳定性。

        图3展示了不同异质原子掺杂闪石墨烯的表征结果，包括氟掺杂（F-rBACFG）、硫掺杂（S-rBACFG）和磷掺杂（P-rBACFG）。每种掺杂类型都通过拉曼光谱、XRD和XPS三种手段进行表征。拉曼光谱中，D峰的增强表明异质原子掺杂导致石墨烯晶格对称性降低，而XRD图谱则显示了由于异质原子掺杂引起的层间距变化，最大增加幅度可达6.5%。XPS分析则精确测定了每种掺杂样品中异质原子的原子百分比，分别为F-rBACFG中的9.55原子%、S-rBACFG中的2.06原子%和P-rBACFG中的1.01原子%。这些数据共同揭示了不同异质原子掺杂对闪石墨烯结构和性质的影响，为后续多元素共掺杂研究奠定了基础。

图4：多元素共掺杂再闪石墨烯的表征

       图4a-e针对B,N-rBACFG，展示了其平均拉曼光谱、XRD图谱、XPS元素分析以及透射电镜图像。拉曼光谱显示其2D峰强度降低，表明共掺杂对石墨烯结晶度的影响。XRD图谱进一步确认了其结晶性质，而XPS分析则揭示了硼和氮元素的具体化学状态及含量，分别为7.44原子%的硼和5.51原子%的氮。透射电镜图像则直观呈现了其石墨片层的形态。图4f-k则对B,N,S-rBACFG进行了类似的表征，展示了其拉曼光谱、XRD图谱、XPS元素分析和透射电镜图像，其中总异质原子含量高达17.77原子%，且XPS高分辨率元素映射详细解析了各元素的化学状态。这些表征结果证实了多元素共掺杂的成功实现，并为优化共掺杂石墨烯在不同应用中的性能提供了关键依据。

图5：锂离子电池性能测试

        图5数据系统地展示了氮掺杂对rBACFG（还原双网络活化化学气相沉积石墨烯）作为锂离子电池阳极材料性能的提升作用。循环稳定性与容量保持（图5a-c）

• N-rBACFG在0.2C下500次循环后容量保持率高达93%，远优于rBACFG的34%。

  充放电曲线（图5b-c）显示N-rBACFG的电压平台更稳定，极化程度更低，表明其结构在循环中更耐受锂离子反复嵌入/脱出。吡啶氮/石墨氮可能增强碳骨架的机械强度，抑制体积膨胀导致的结构坍塌。高缺陷密度（如ID/G所示）提供了更多锂存储位点，同时氮原子与锂的相互作用可能降低不可逆副反应（如SEI过度生长）。N-rBACFG在所有倍率下（如0.1C至5C）均表现出更高的比容量，尤其在高速率下差距更显著。石墨氮掺杂维持了sp²网络的导电通路，缓解了高倍率下的电荷传输限制。氮诱导的层间距扩大（XRD结果）降低了锂离子扩散能垒。CV曲线分析（图5e-f）两材料的CV峰电流与扫描速率的平方根（v¹/²）呈线性关系，证实锂离子扩散主导（非电容行为）。N-rBACFG的氧化/还原峰分离更小，表明更快的反应动力学。N-rBACFG的锂离子扩散系数（DLi⁺）更高，尤其在0.4−0.8V区间（对应石墨烯层间嵌锂阶段），与XRD层间距增大结果一致。界面稳定性与电荷转移（图5i）N-rBACFG的初始和循环后Rct（电荷转移电阻）均更低，归因于：氮掺杂降低电极/电解液界面能垒。表面氮官能团（如吡咯氮）可能促进均匀、致密的SEI形成，抑制循环中Rct增长。其Rct循环后显著上升，反映SEI持续破裂/再生消耗活性锂。氮掺杂通过化学（氮锂相互作用）与物理（层间距/导电性）双重机制显著提升了rBACFG的储锂性能，其高容量保持率与快速动力学使其成为极具潜力的快充型锂电阳极材料。后续研究可结合原位表征（如原位XRD观察嵌锂过程）深化机制理解。

总结与展望

      本研究通过创新的固态闪速热解法（Flash Joule Heating, FJH）实现了高效、低成本、可规模化的异质原子掺杂再闪石墨烯（rFG）合成。固态反应避免有毒试剂使用，符合绿色化学原则。能耗显著低于传统CVD或湿化学法，且可在非密封条件下完成（掺杂源沸点适配设计）。单掺杂（N, F, P, S）与共掺杂（B-N, B-N-S）体系拓展了材料调控维度。二次闪热压缩效应：降低turbostratic石墨烯层间距。掺杂原子撑开效应：如N掺杂使层间距从0.34 nm增至0.36 nm（XRD验证）。氮掺杂通过引入吡啶氮（缺陷）和石墨氮（导电）协同优化电化学性能。N-rBACFG的93%循环保持率（500次@0.2C）源于：稳定SEI层（XPS/EIS证实氮官能团抑制电解液分解）。高锂离子扩散系数（CV测算DLi⁺提升2-3倍）。掺杂rFG作为填料可提升聚合物模量/强度（界面相互作用增强）。：原料（沥青活性炭）占主导，工艺简化大幅降本。碳源生产是主要环境负担，但闪蒸工艺减排效果显著（对比传统方法）。通过前驱体混合均匀性优化或脉冲闪蒸策略减少元素偏析。探索主族/过渡金属（如Si, Fe）掺杂对磁学/催化性能的影响。如原位TEM观察闪蒸过程中掺杂原子动态嵌入行为。DFT计算不同掺杂构型对锂吸附能/扩散路径的影响。设计滚筒式闪蒸反应器实现公斤级/小时产出。开发石墨烯-掺杂剂分离技术（如F-rFG中氟的循环利用）。该研究为石墨烯功能化提供了一种高效、可持续的范式，其“快速闪蒸-掺杂协同”策略不仅解决了传统方法成本高、污染大的痛点，更通过多元素掺杂设计开辟了性能定制化空间。未来通过工艺-结构-性能-应用全链条创新，有望推动掺杂石墨烯在新能源与先进材料领域的产业化落地。

原文信息：Heteroatom-Substituted Reflashed Graphene. Phelecia Scotland;Lucas Eddy;Jinhang Chen;Weiyin Chen;Jacob L Beckham;Kevin M Wyss;Chi Hun Choi;Paul Andrade Advincula;Alexander Lathem;Obinna E Onah;Yimo Han;James M Tour. ISSN: 1936-0851 , 1936-086X; DOI: 10.1021/acsnano.4c16959. ACS nano. , 2025

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