氮摻雜石墨烯與石墨相氮化碳復合材料的研究進展及創新制備方法

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、光催化和環境凈化領域展現出顯著的應用潛力。其*特的電子結構與表面性質源于氮原子的引入，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，因化學穩定性高，在光催化水分解和有機合成中備受關注。若將其與還原氧化石墨烯（rGO）復合，可結合兩者優勢，增強機械強度與電荷傳輸效率，為高效金屬 - 碳催化體系的開發提供新思路。

傳統氮摻雜工藝需在 800–1000°C 的高溫惰性氣氛下進行，存在能耗高、技術門檻高的問題。盡管有研究嘗試在空氣環境中低溫實現同步還原與氮摻雜，但反應條件與產物性能的平衡仍具挑戰性。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物中 rGO、g-C?N?的相構成及氮含量的影響缺乏系統性研究，限制了材料在電催化有機合成等領域的規模化應用與性能優化。

針對上述現狀，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，相關成果發表于《Eurasian Journal of Chemistry》期刊，題為 “N-Containing Graphene Preparation Using Melamine as a Nitrogen Source"。

研究方法與關鍵發現

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、環氧基團），并通過熱重分析（TGA）發現：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，同時實現氮摻雜。

2.結構與形貌分析

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

SEM 觀察：復合材料中石墨烯層呈剝離狀態，厚度 7–45nm，表面覆蓋三聚氰胺熱處理產物。

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%。

研究創新與應用價值

該研究開發了簡便經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℃）對產物組成的影響規律。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奠定基礎。

設備優勢：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。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現已成為許多高校、研究所和企業的*選設備之一。