从废物中”闪蒸”石墨烯成为现实是一个良好的开端。但现在，莱斯大学的科学家正在定制它。
莱斯大学的化学家已经修改了他们的闪光焦耳加热工艺，以生产具有光学和电子设备定制性能的掺杂石墨烯。闪蒸石墨烯方法可以在几毫秒内将任何碳源转化为有价值的2D材料。图片来源：Jeff Fitlow/Rice University。
莱斯大学化学家詹姆斯·图尔（James Tour）的实验室改变了其闪光焦耳加热程序，以创建掺杂石墨烯，该石墨烯可定制原子厚材料的电子状态和结构，使其更适合电子和光学纳米器件。掺杂方法将其他元素掺入石墨烯的2D碳基质中。
美国化学学会期刊ACS Nano中描述的程序演示了使用单个元素或三个或成对的元素掺杂石墨烯的方式。该过程显示了磷，硼，氧，氮和硫的单一元素，氮和硼的双元素混合物以及氮，硼和硫的三元素混合物。
该过程大约需要1秒钟，并且完全依赖于”闪烁”将掺杂剂元素与炭黑结合在一起的粉末。此外，它不含催化剂和溶剂。
使用化学气相沉积或人工有机过程等自下而上的方法掺杂石墨烯是可行的，但这些方法通常产生痕量的产品或在石墨烯中产生缺陷。Rice方法是一种有利的途径，可以在没有催化剂，溶剂或水的情况下快速生产大量”杂原子掺杂”石墨烯。
这为闪光石墨烯开辟了一个新的可能性领域。一旦我们学会了制造原始产品，我们就知道直接合成掺杂的涡轮石墨烯的能力将为有用的产品带来更多的选择。
詹姆斯·图尔，莱斯大学化学家
“这些添加到石墨烯基质中的新原子将允许制造更强的复合材料，因为新原子将更好地与主体材料结合，例如混凝土，沥青或塑料。添加的原子还将改变电子特性，使它们更适合特定的电子和光学设备，”James Tour补充道。
当2D蜂窝状晶格的桩彼此不定向时，石墨烯是涡轮的。Tour解释说，这使得更容易将纳米级片散布在溶液中，从而产生可溶性石墨烯，将其添加到其他材料中要简单得多。
该实验室在两种情况下对大量掺杂石墨烯进行了实验：电化学氧还原反应（ORR），这对燃料电池等催化系统很重要，并且作为锂金属电池中电极的一部分，表示下一代可充电电池具有高能量密度。
硫掺杂石墨烯被证明是ORR的理想选择，而氮掺杂石墨烯被证明能够通过金属锂的电沉积来降低成核过电位。实验室表示，这应该可以在先进的可充电金属电池中实现更均匀的沉积和更好的稳定性。
莱斯大学研究生Weiyin Chen和Chang Ge是本文的共同主要作者。合著者是校友John Tianci Li，研究生Jacob Beckham，Paul Advincula，Kevin Wyss，Jinhang Chen，Lucas Eddy，本科生Robert Carter，博士后研究员Zhe Yuan，研究科学家Carter Kittrell和校友Duy Xuan Luong。
该研究得到了能源部国家能源技术实验室（DE-FE0031794），空军科学研究办公室（FA9550-19-1-0296）和美国陆军工程兵团工程师研究与发展中心（W912HZ-21-2-0050）的支持。
期刊参考：
Chen, W., et al. (2022) Heteroatom-Doped Flash Graphene. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.2c01136.
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