火焰法制备氮掺杂石墨烯的最新研究进展 

石墨烯是一种平面单层碳原子堆积形成的二维蜂窝状材料。由于石墨烯优异的电学、热学性能以及突出机械性能，在各个领域都受到广泛关注和应用，例如用作高性能电容器中的电极材料。但是由于石墨烯的特殊电子结构和表面性质，石墨烯的应用受到了一定限制。因此在实际应用中需要对石墨烯的进行一定修饰改性，从而提高其性能。其中一种有效调控石墨烯性能的方法是对石墨烯碳原子的平面结构进行调控。最近的研究表明，利用杂质原子掺杂能够有效的调控石墨烯的电学性能，物理化学特征。掺杂是一种重要的改善石墨烯的化学和物理性质的方法在可能的掺杂元素中，氮原子由于和碳原子大小接近并且能够形成五个化学键，因此得到广泛的重视。目前，制备氮掺杂石墨烯（NGO）的方法有一些报道，主要的方法包括化学气相沉积法，氮等离子放电法，氨源热解法，含氮前驱体转换法，电弧放电法，溶剂热法以及一些其它方法（氨电热反应法，，微波辅助反应等）、火焰法等方法。

武汉大学物理科学与技术学院材料物理系潘春旭教授课题组，在国家自然科学基金等项目的资助下，长期从事碳纳米材料的制备与表征的相关研究工作。尤其在石墨烯、碳纳米管等低维碳纳米材料的制备与结构控制改性方面取得了大量成果。最近课题组在氮掺杂石墨烯的制备方面又取得了一项新的研究进展：

目前，各种氮掺杂石墨烯的制备方法都有其独特的优势，并且能够制备出高性能的氮掺杂石墨烯。但是有些方法存在对设备要求高，反应时间较长，真空度要求高，对温度、气氛环境要求高等特点，一定程度上限制了氮掺杂石墨烯的应用。因此发展一种简单、快速的氮掺杂石墨烯具有重要的意义。

在我们前期研究中，利用火焰法在碳纳米材料的制备领域做出了许多工作。在此基础上，我们又提出了一种利用火焰法快速、高效制备氮掺杂石墨烯（NGO）的方法。即，在氨火焰中燃烧处理氧化石墨烯（GO），氨火焰一方面可以还原GO，另一方面还可以实现快速氮掺杂。另外，由于火焰的特殊环境，其氮掺杂结构也与其他方法不同。这些特性将有利于获得特殊的性能和应用。实验结果显示：1）经氨火焰处理后，石墨烯中氮原子的掺杂比例是3.97at%；2）氮原子以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮三种形式存在；3）利用这种氮掺杂石墨烯做成超级电容器，其比容量达到246.4 F/g (电流密度1A/g)，接近普通化学法制备石墨烯（rGO）比容量的两倍。可以预测这种氮掺杂石墨烯在电极材料中有潜在的应用前景。该项研究工作发表在《RSCADVANCES》（2014, 4: 55394 - 55399）上。

这项工作得到了国家国家自然科学基金（项目号：11174227）的资助。

文章链接：Synthesisof nitrogen doped graphene from graphene oxide within an ammonia flame for highperformance supercapacitors

图1 (a)GO的SEM形貌；(b)NGO的SEM形貌；(c)NGO的HRTEM图像（低倍）；(d) NGO的HRTEM图像（高倍）.

图2 (a)NGO循环伏安曲线；(b)NGO恒流充放电曲线；(c) NGO比容量随电流变化曲线；(d)NGO循环充放电曲线