义。首次充放电完成后，氮掺杂石墨烯的库伦效率稳定在98%左右，几乎没有波动，这表明氮掺杂石墨烯电极具有比前两者所组成的电极材料有更好的循环稳定性。随着充放电过程的进行，氮掺杂石墨烯的比容量逐渐增加。 5.2用作气敏传感器材料
近来,使用石墨稀作为高度敏感的气体传感器的可能性也有许多的报道石墨稀是一种二维的碳材料,碳原子之间通过sp2杂化紧密的联系在一起,在其能带结构中,围绕在费米能级处的Dirac点表现出线性色散关系。相较于碳纳米管,以石墨炼为基础的材料具有较大的比容量和优异电子性质,以及被认为是己知材料中最快的电荷迁移速度87。然而，Leenaerts等88实验表明纯净的石墨烯是不适合用于CO和NO的化学传感器。氮的电负性的比其他碳材料更强。因此,对于吸附的气体分子,掺氮石墨炼可能是电子给体。因此,我们尝试在结构缺陷的石墨炼上掺杂氮元素,以期降低氧气在石墨炼上的吸附能,使其在増强CO的吸附能的同时,也能够辨别出检测气体的种类。
N2在NG表面吸附时的情况与它在VG表面时类似,都是物理吸附,而且结合能较小,电荷转移仅有0.01 e。因此,可以N2同样对NG侦测CO气体不产生影响。而O2与NG的结合能为只0.69 eV, C^-NG体系经结构优化之后,发现氧分子吸附在距离衬底的3.7A的位置,其键长基本保持了游离状态的大小(1.24 A)。Bader分析表明,小于0.11 e的电子从石墨稀表面转移到氧气分子,与CO-NG的电荷转移量相差数倍。因此这个结果为从多元混合气体中分辨待测气体提供了一种技术手段,可以在提高传感器的选择性方面发挥重要的作用。
研究人员发现89，掺氮石墨燃NG在CO的吸附之前具有磁性和磁力矩为0.54?B,并减少到零以下的CO吸附在NG的表面。如下图：
研究人员90发现不同于CO, NO分子在NG表面没有结合能很强的化学吸附。在NO-VG体系巾当N原子是接近的H位时,结合能为6.64 eV,伴随着0.98 |e|的电荷转移,属于化学吸附。然而,在NO-NG体系中,流向NG的电荷转移量是非常小,只有0.06|e|。此外,NO吸附后自身的键长为1.139A,与自由状态下的键长1.137A相比,几乎没有变化。因此,NO分子在NG的表面,只能是物理吸附。其在NO-NG体系中的电荷转移与CO-NG的相比,是可以忽略的。这个结论对于传感装置的抗干扰能力是一个好消息,因为这意味着NG材料可以分辨CO与N0,提高传感器的选择性。 5.3用作超级电容器材料
随着社会经济的发展，人们对清洁能源以及生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件，具有存储能量大质量轻可多次充放电等特征而成为一种新型的储能装置46,47。与普通电容器相比，超级电容器的比容量更高，是普通电容器的20-200倍; 与二次电池相比，其比功率更高循环寿命更长而且免维护超级电容器以其优异的性能，在大功率电子器件电动汽车混合型电动汽车等领域得到成功的应用，并且其应用范围还在不断的拓展91，具有极其广阔的应用前景。Wen等92采用高效灵活的方法制备出高度褶皱的掺氮石墨烯纳米片层
(C-NGNS)， 褶皱增大可以极大地提高石墨烯的比表面积 ，在扫描速率为5m/Vs 时，电容量为248.4F/g ，当扫描速率进一步增加到1000m/Vs 时，电容量也只是微微下降到183.3F/g。虽然以掺氮石墨烯作为超级电容的电极材料目前仍处于初始研究阶段，但是其高电容量已经引起了科学界广泛的关注，预计今后该方向的研究将会迅猛发展。 5.4用作氧化还原催化剂
当将 NG 与 Pt/C 进行比较时，可以看到无论是起始电位、半波电位、还是极限电流密度这三个评价催化剂氧还原催化活性的参数93，NG 与 Pt/C 的值几乎完全相等。这说明掺氮石墨烯的氧还原催化活性在碱性电解质中已经完全可以与商业 Pt/C 催化剂相媲美了。我们认为，掺氮石墨烯如此高的 ORR 催化活性，源自于以聚苯胺为氮源、掺氮石墨烯的高比表面及良好的石墨化、以及石墨烯所特有的一些性质94。直接甲醇燃料也是低温燃料电池中研究得比较多的一类95，直接甲醇燃料电池存在着一个大的缺点就是甲醇容易从阳极经质子交换膜渗透到阴极。如果直接甲醇燃料电池的阴极催化剂对甲醇氧化反应也有催化活性的话，则会使阴极的氧与渗透过来的甲醇直接发生不产生电流的氧化还原反应，从而降低直接甲醇燃料电池的功率密度。因此，作为低温燃料电池阴极催化剂，其抗甲醇渗透影响也是一个重要的考查指标。考查催化剂的抗甲醇渗透影响采用计时电流法，当在约 150 秒时加入甲醇后，Pt/C 催化剂上的电流密度值发生了一个突变，电流密度从-0.1mA·cm-2跃升到 0.28 mA·cm-2。电流密度从负值突跃成正值，说明在在催化剂上发生的反应由氧还原转变成了甲醇氧化，也就是说 Pt/C 催化剂极易受甲醇渗透的影响。当把电极上的催化剂换成掺氮石墨烯后，电流密度值在甲醇加入后只是经历了一个瞬间的波动，很快便恢复成甲醇加入前
的状态，这说明几乎没有甲醇氧化反应在掺氮石墨烯这种非铂催化剂上进行96。以上结果证明掺氮石墨烯比铂碳催化剂具有更好的抗甲醇渗透影响能力，更适合作为直接甲醇燃料电池的阴极催化剂。
掺氮石墨烯的高 ORR 催化活性，源自于以聚苯胺为氮源、掺氮石墨烯的高比表面及良好的石墨化、以及石墨烯所特有的一些性质。 6 总结
近来，掺氮石墨烯已经成能源材料领域一个热门的研究课题，关于掺氮石墨烯的合成方法以及表征技术不断地被发现并改进。氮掺杂是一种有效的石墨烯改性途径，通过氮掺杂我们能够打开石墨烯能带隙并调整其导电类型，改变石墨烯的电子结构，提高石墨烯的自由载流子密度，从而提高石墨烯的导电性能和稳定性，增加石墨烯表面吸附金属粒子的活性位点等，这些改性使得石墨烯的应用具有更加广阔的前景。
然而大规模生产掺氮石墨烯的方法仍然存在很大的问题，新的方法有待提出。并且，掺氮石墨烯的合成面临着与掺氮碳纳米管相似的问题。首先，掺氮的类型及氮元素的分布难以被控制；其次，氮的类型及其分布可能影响电子移动率，因为掺氮后石墨烯的能带带隙被拓宽，导电性降低。此外，高性能的催化剂要求我们在石墨烯上掺杂特定的氮类型，而氮类型及其性质之间的关系同样有待我们进一步研究和证实。最后，掺氮石墨烯上的缺陷对氧化还原反应有利的催化作用需要我们开展进一步的研究工作。因此，在掺氮石墨烯的性质与应用的研究领域仍然有着很大的研究前景，需要我们进一步开拓探索。
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