石墨烯材料在脱氟辅助下的氮掺杂化学行为

摘要： 杂原子掺杂反应对于实现能源和生物领域先进石墨烯基材料至关重要。遗憾的是，迄今为止关于详细反应路径的认知仍十分有限。本研究基于改进的原位傅里叶变换红外光谱技术，重点探究了氟化石墨烯（FG）在脱氟辅助下的氮（N）掺杂过程。结果表明，与其他石墨烯衍生物相比，FG与氨气具有更高且更有效的反应活性，这使得脱氟辅助下的N掺杂即使在较低温度下也能高效进行（300°C时N掺杂量达16.8 at%，400°C时达19.9 at%）。结合密度泛函理论证实：在N掺杂初始反应阶段，氨分子通过形成新C-NH2键进攻并取代FG中的C-F键；随后氨基环化为乙烯亚胺三元环结构。更重要的是，C-F键的解离与迁移促进了C-C键断裂及C-N键重组，从而显著推动乙烯亚胺环中的N原子转化为石墨烯骨架中的吡啶型N或石墨型N。