馬致遠，屠 化

(中國科學技術大學化學與材料科學學院，安徽 合肥 230026)

1 前 言

石墨烯具有超薄、完美的二維結構，每個碳原子都是sp2雜化，并貢獻剩余的一個p軌道電子形成π鍵。高度巡游的大π鍵電子賦予了石墨烯優(yōu)異的電學性質(zhì)(載流子遷移率>15000 cm2·V-1·s-1)和光學性質(zhì)(單層吸收率<3.2%)。自誕生以來，石墨烯就被寄期望應用于各種高性能材料領域。然而，石墨烯沒有能帶隙，導致其不能像傳統(tǒng)的半導體那樣，通過外部能量激發(fā)進行控制。因此，研究人員通過對石墨烯片層上的碳原子進行部分氮原子取代摻雜，調(diào)節(jié)其能帶結構，產(chǎn)生金屬-半導體躍遷，進而提高氮摻雜石墨烯(nitrogen-doped graphene, NG)的應用范圍[1]。在石墨烯的碳網(wǎng)格中引入了含氮原子結構后，增加了石墨烯表面吸附離子的活性位點。這些活性位點不僅增強了離子與石墨烯之間的相互作用，也拓寬了二維石墨烯類材料的應用領域[2-4]。對NG的規(guī)?；苽浼夹g，要求在載流子遷移率不顯著降低的情況下，同時滿足摻雜控制精確、經(jīng)濟效益高、批次間穩(wěn)定等要求。

石墨烯的制備方法分為自上而下、自下而上兩類(圖1a)[5]。自上而下是指前驅(qū)體的尺寸不斷減小，而自下而上是前驅(qū)體尺度不斷增加。NG的制備方法主要依據(jù)石墨烯骨架形成和氮摻雜過程的先后順序，常分為直接合成法和后處理法(圖1b)[6]。直接合成法一般是自下而上的合成方法，具體是指通過來自碳源和氮源的小分子反應物經(jīng)過新的化學鍵重構過程，從而制備具有網(wǎng)絡結構的NG。常用的直接合成方法有化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)、溶劑熱法、電弧放電合成法和表面聚合法等。后處理法是指在適當?shù)臈l件下處理石墨烯或其衍生物，最終將摻雜劑中的氮原子摻雜到石墨烯晶格中，使得其表面內(nèi)缺陷位和邊緣處形成sp3雜化的氨基型氮(N—A)價鍵結構。目前普遍采用的后處理法有水熱法、熱解法、球磨法和氮等離子放電法等。

圖1 石墨烯自上而下和自下而上的制備方法示意圖(a)[5]；氮摻雜石墨烯直接合成和后處理法制備方法示意圖(b)[6]Fig.1 Schematics of top-down and bottom-up methods for graphene fabrication (a)[5]; schematics of direct synthesis and post synthesis for N-doped graphene fabrication (b)[6]

2 直接合成

2.1 化學氣相沉積法

CVD技術原理是，氣態(tài)前驅(qū)體部分分解,并通過分子間化學反應，從而在催化劑基底上形成薄膜。CVD法制備NG常用的工藝是：在硅基板上附著一層銅或鎳，以甲烷和氨氣分別作為碳源和氮源，在氫氣氣氛下，氣相沉積得到NG?？刂频膮?shù)主要有：碳源和氮源的種類與比例、氣體流速、升溫程序、催化劑等(表1)[6]。CVD的本質(zhì)是小分子的“鍵斷裂過程”和“鍵重整過程”。常用的碳源和氮源有乙腈、吡啶、NH3、N2、C5H5N、C3H3N、二甲基甲酰胺、三聚氰胺、聚二甲基硅氧烷和咪唑等[6]。雖然CVD是一個復雜的化學過程，但它有顯著的優(yōu)點[7]：① 產(chǎn)品的高密度和高純度；② 高沉積速率下，薄膜均勻，具有良好的再現(xiàn)性和附著力；③ 對復雜形狀組件，薄膜涂覆均勻，表面原子覆蓋率良好；④ 薄膜晶體結構、表面形態(tài)和取向可調(diào)節(jié)；⑤ 沉積速率可調(diào)節(jié)，低沉積速率有利于微電子領域中外延薄膜的生長，而高沉積速率有利于厚保護膜的沉積，生長速率可大于每小時數(shù)十微米；⑥ 傳統(tǒng)CVD技術成本合適；⑦ 前驅(qū)體選用靈活(例如鹵化物、氫化物、有機金屬化合物等)。但是，CVD方法存在明顯缺點：① 易燃、易爆、有毒、有害及有腐蝕性的前驅(qū)體氣體的使用帶來了潛在的安全危害；② 不同的前驅(qū)體蒸發(fā)速率不同，因此無法按照多源前驅(qū)體的初始設計比例得到成分可控的多組分材料；③ 低壓或超高真空CVD、等離子體輔助CVD和光輔助CVD等CVD復合技術需使用更復雜的反應器或真空系統(tǒng)，這將增加制造成本。表1總結了采用CVD法合成不同構型氮摻雜的石墨烯所需的氮源及參數(shù)。

表1 CVD合成法制備不同構型氮摻雜石墨烯的氮源及其參數(shù)設置[6]

除了氣體前驅(qū)體選擇，顯著影響NG生長過程的參數(shù)還包括氣體流速、氣相組分中的碳氮比以及反應溫度。通常，高流速導致層數(shù)增加，低碳氮組分比導致高氮含量，而反應溫度主要用于調(diào)節(jié)產(chǎn)物的氮含量和不同氮原子構型的比例。中國科學院化學研究所劉云圻院士課題組[8]于2009年首次在實驗中合成NG，他們采用Si襯底上的25 nm厚Cu膜作為催化劑，以CH4和NH3分別作為碳源和氮源生長了NG。其中，負載型催化劑的升溫速率對NG的生長有重要影響。當緩慢升溫時，催化劑Cu膜容易聚集，最終只能得到碳納米管或者納米籠；而快速加熱升溫可以避免Cu膜聚集，保證最終實現(xiàn)NG膜的制備。快速加熱的方法也被用于快速將各種含碳材料轉(zhuǎn)化為石墨烯的過程[22]。

另外，催化劑模板也是良好的生長框架。例如，以泡沫鎳為多孔NG的模板和催化劑，獲得的3D NG結構具有較大的比表面積[23]。美國加州大學洛杉磯分校盧云峰教授課題組以介孔MgO為模板和催化劑合成摻氮介孔石墨烯顆粒，并通過微波輻射減少其中的缺陷(圖2a)[24]。NG的3D框架結構提供了良好的結構穩(wěn)定性，避免了石墨烯的不可逆堆疊；同時，低缺陷密度提高了NG的電子導電性和穩(wěn)定性，使其有望在快充和高能量密度的鋰離子電池上得到應用(圖2b)[24]。除了在鋰離子電池上的應用，NG上氮原子的吸電子能力會使得其相鄰碳原子上產(chǎn)生正電荷，從而易于從陽極吸引電子，促進氧還原反應(oxygen reduction reaction，ORR)。最近的研究集中在多雜原子摻雜石墨烯上，其在ORR中的催化性能表現(xiàn)出更多優(yōu)勢[25-36]。

NG可用作透明導電膜的關鍵材料，在工業(yè)應用中要求其具有良好的載流子遷移率和導電性。CVD方法可以大規(guī)模生產(chǎn)高摻雜的、均勻性和穩(wěn)定性較好的NG，但是，由于引入大量的電荷散射中心，導致其載流子遷移率和導電性大大降低[37]。最近，北京大學劉忠范院士課題組利用氧氣選擇性刻蝕效應消除了吡啶氮和吡咯氮等破壞石墨烯晶格的摻雜構型，首次在Cu襯底上實現(xiàn)了簇狀氮摻雜石墨烯(nitrogen cluster-doped graphane, Nc-G)膜的生長(圖2c)[38]。簇狀氮摻雜后的石墨烯電子遷移率高達13 000 cm2·V-1·s-1，比其他工藝制備的NG要高出數(shù)個量級。同時，NG的面電阻也降低到130 Ω·sq-1，摻雜的穩(wěn)定性顯著提高，可實現(xiàn)批量制備。Nc-G膜可以集成到觸摸屏面板中，從設備演示可以看到電極的電導率和透明度均表現(xiàn)優(yōu)異(圖2d)。

2.2 溶劑熱法

圖3 溶劑熱法合成氮摻雜石墨烯(NG): (a)制備的NG納米花的SEM、TEM、高分辨率TEM照片和電子衍射圖譜[40]，(b)NG制備過程及退火過程中化學反應示意圖，及其催化氧還原反應的示意圖[41]Fig.3 Solvothermal synthesis of nitrogen-doped graphene (NG): (a) SEM, TEM, high-resolution TEM images and electron diffraction pattern of solvothermally prepared NG nanoflowers[40], (b) schematics of solvothermal preparation of NG and annealing process, and catalytic oxygen reduction reaction mechanism[41]

采用溶劑熱法并以Li3N為原料，所得產(chǎn)物為納米片，而以金屬鉀為原料所得產(chǎn)物一般為片狀NG組裝的納米花。2016年，中國科學院上海硅酸鹽研究所王家成課題組[41]采用溶劑熱法以吡咯/CCl4/K體系合成NG納米花(圖3b)，在氬氣下600 ℃對其退火處理后將部分吡咯氮轉(zhuǎn)化為吡啶氮(從14.7%到30.9%)，制得的NG納米花顯示出較高的比表面積(413.6 m2·g-1)。在溶劑熱條件下決定NG形成和生長的反應機理尚不十分清楚，未來可能利用原位X射線衍射和中子衍射理解其基本過程[42]。

目前基于溶劑熱法的NG合成處于實驗室分批次(batch to batch)合成階段，甚至需要在惰性氣體保護下完成，且反應中的傳質(zhì)過程仍是一個“黑匣子”。總之，對大規(guī)模批量溶劑熱合成或連續(xù)溶劑熱反應過程中的傳熱安全性進行可行性研究，才有望實現(xiàn)NG的工業(yè)化放大制備。

2.3 表面聚合法

表面聚合法又稱聚合物環(huán)化脫氫法，是一種自下而上從分子構建合成NG的方法，該方法能夠精確控制氮原子的位點和摻雜類型。瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室Roman Fasel課題組在已有的實驗基礎上，改用含氮的有機前驅(qū)體，實現(xiàn)了自下而上地制備氮摻雜石墨烯納米帶(nitrogen doped graphene nanoribbons, N-GNR)的設想[43, 44]，這一過程是基于三溴取代的二甲基亞甲基橋連的三苯胺(DPTA)在Ag(111)上表面聚合形成多孔石墨烯網(wǎng)絡[44]。在200 ℃下處理DPTA形成配位聚合物，提高溫度后會形成規(guī)則的2D共價聚合物網(wǎng)絡，經(jīng)過400 ℃退火處理后選擇性地裂解了甲基單元，從而形成了平坦的共價骨架。這種通用的自下而上的合成方法，還可制備鋸齒型的GNR，并具有類似p-n半導體的性質(zhì)，帶隙為0.5 eV(圖4a)[45]。除了Ag(111)以外，具有催化活性的基底還可以選擇Au(111)、Cu(111)和金紅石TiO2(011)等[45-47]。他們還使用低溫超高真空的掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM)研究化學定制的納米石墨烯的反應過程(圖4b)，詳細地解釋了表面輔助環(huán)化脫氫過程中Cu(111)的催化作用[46]。

圖4 表面環(huán)化脫氫法精確合成氮摻雜石墨烯：(a)在200 ℃下脫鹵并在400 ℃脫氫形成氮摻雜石墨烯納米帶(nitrogen doped graphene nanoribbons, N-GNR)[45]；(b)鋸齒型結構GNR的掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)照片和分子模型[46]；(c)分叉型結構GNR的STM照片，(d)形成分叉型結構GNR的脫氫分子單體，(e)分叉型結構GNR的分子模型[54]Fig.4 Surface dehydrogenation method for accurate synthesis of nitrogen-doped graphene: (a) formation of linear polymers by covalent interlinking of the dehalogenated intermediates at 200 ℃, and the formation of N-GNRs by cyclodehydrogenation at 400 ℃[45]; (b) STM image of chevron-type GNR with partly overlaid molecular model[46]; (c) STM image of threefold GNR junction, (d) monomers of threefold GNR junction, (e) molecular model of threefold GNR junction[54]

石墨烯的自下而上的合成是通過多環(huán)芳烴分子內(nèi)芳基-芳基偶聯(lián)實現(xiàn)的，它為定制NG的分子大小、形狀、邊緣和組成提供了絕佳的途徑。隨著STM、Qplus型非接觸式原子力顯微鏡和X射線譜學的發(fā)展，表面介導制備新型碳材料成為了一個重要方法[48-53]。然而，盡管制備尺寸大且結構清晰的NG具有極大吸引力(圖4c～4e)[54]，但平面化大型低聚亞苯基前驅(qū)體的概念已接近工藝極限。這主要是由于前驅(qū)體的溶解性差[55]，以及大型低聚亞苯基前驅(qū)體的拓撲結構不匹配，從而導致部分未發(fā)生環(huán)化脫氫反應。此外，由于巨型石墨烯分子的強聚集性和極強的不溶性，對其精確結構表征也變得越來越困難。

總之，聚合物環(huán)化脫氫法所得的NG的結構精確，但是需要超高真空、超凈表面以及特殊的原料、高分辨的檢測手段。目前對這種方法的研究停留在實驗室階段，要實現(xiàn)批量制備十分困難，但由于表面聚合法兼容標準互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)的加工過程，若解決批量制備問題，未來有望應用于商業(yè)納米石墨烯器件。

3 后處理法

3.1 熱解法

熱解法的第一步是制備含氮的復合前驅(qū)體，然后用熱解的方法在一定溫度下在惰性氣體中對復合前驅(qū)體進行碳化。最近，研究人員研究了大量復合前驅(qū)體類型，例如：繭、大豆殼、樹脂、酒糟、豆渣、4-氨基苯甲酰基、聚吡咯、含氮樹脂、聚苯胺、殼聚糖、聚氨酯丙烯酸酯、甘氨酸、石墨-C3N4、瀝青/雙氰胺、葡萄糖/尿素/六水合氯化鐵以及鳥屎[56-69]。這種方法可以被視為回收廢棄生物材料(如大豆殼、樹脂和豆渣)的綠色途徑。

3D NG也可以通過熱解法結合硬模板或發(fā)泡過程來制備，從而提高材料的比表面積。例如，在尿素或雙氰胺的存在下，以氮化碳為硬模板將聚糠醇碳化后得到3D NG[70]。另外，采用無模板的甘氨酸/碳酸鈉直接熱解，所得3D NG的比表面積甚至高達1760 m2·g-1。通過直接熱解葡萄糖/NH4Cl/三聚氰胺的固體混合物(NH4Cl/三聚氰胺同時作為發(fā)泡劑和氮源)[71]，得到3D NG的比表面積可達1196 m2·g-1。

劉斌和戴立明課題組[72]合作研究，將三聚氰胺與L-半胱氨酸均勻混合，經(jīng)過兩步熱解碳化制備了NG納米帶網(wǎng)絡。三聚氰胺先形成氮化碳結構，而L-半胱氨酸不僅充當碳源而且是氮化碳結構內(nèi)產(chǎn)生孔的“模板”。實驗結果發(fā)現(xiàn)，NG納米帶網(wǎng)絡中的吸電子吡啶氮部分充當了氧釋放反應(oxygen evolution reaction, OER)的活性位點，而給電子的季氮位點負責催化ORR。研究認為，熱解法得到的NG納米帶網(wǎng)絡有望批量應用于制備低成本的可充電金屬空氣電池中的高效空氣陰極。

采用熱解法時，N的種類、N的含量和石墨烯的形態(tài)可以通過氮前驅(qū)體的初始含量和熱解溫度來調(diào)節(jié)[73]。熱解法批量制備NG所面臨的主要問題是：高能耗和特殊的氣氛對于熱解過程是必不可少的；其次，所制備的NG的N含量相對較低，并且通常具有不規(guī)則的晶體結構。

3.2 水熱法

水熱法還原氧化石墨烯因其簡單的實驗條件而被廣泛應用。氧化石墨烯的水溶性好，易于在熱還原或還原劑還原的同時摻入氮原子。為了提高氮摻雜含量并改善氮摻雜類型，水熱反應后的產(chǎn)物需要進行熱處理。通過這種方法制備的NG也被特指為氮摻雜的還原氧化石墨烯(N-rGO)。N-rGO中N種類和N含量的主要影響因素包括：含氮還原劑種類、熱處理溫度以及石墨烯的氧化程度和層數(shù)[74]，其中，改變熱處理溫度是調(diào)控N種類的最有效手段。有研究表明：熱處理(700～900 ℃)可以增加吡啶氮和季氮的相對比例，而石墨氮在高溫熱處理后(>1000 ℃)則占主導地位[75]。微波輔助的水熱法在控制N種類中具有相似的作用。通過增加微波反應的時間，N-rGO的吡啶氮和吡咯氮會部分轉(zhuǎn)化為季氮，使其導電性增加[76]。當被應用于超級電容器的電極材料時，高導電性的N-rGO顯示出更好的電化學性能。

水熱法也是實現(xiàn)N-rGO納米復合材料批量制備最簡便的方法。N-rGO中氮原子對金屬離子具有更強的吸附能力，因此對于實現(xiàn)N-rGO與無機納米材料的復合，特別是納米金屬化合物有明顯的增強作用。中國科學技術大學俞書宏院士團隊[77-82]制備了NG與MoS2、SnO2、CoSe2、ZnSe、碳納米管、碳納米管/Co3O4等復合的一系列納米復合材料，如圖5舉例。在納米復合材料中，NG起到了重要作用，主要表現(xiàn)如下：① N-rGO作為載體，通過水熱還原形成多孔結構，能夠在三維空間中實現(xiàn)零維、一維或二維納米材料的均勻分散和負載；② N-rGO具有良好的導電性，可以增強納米材料在電化學應用中的電荷轉(zhuǎn)移，從而改善其電化學性能。水熱法中，納米材料的水熱合成和氧化石墨烯的熱還原一步完成，大大簡化了納米材料的制備過程。通過設計和組裝，可實現(xiàn)微納結構和宏觀結構的有效結合，這有利于反應過程中的傳熱傳質(zhì)過程。

圖5 水熱法合成NG納米復合材料：(a)NG-CoSe2納米復合材料的制備過程示意圖[78]；(b)NG-MoS2納米復合材料的制備過程示意圖[80]；(c)NG-氮摻雜碳納米管納米復合材料的制備示意圖[81]Fig.5 Synthesis of NG nanocomposites by hydrothermal method: (a) preparation of NG-CoSe2 nanocomposites[78]; (b) preparation of NG-MoS2 nanocomposites[80]; (c) preparation of NG/nitrogen-doped carbon nanotube nanocomposites[81]

3.3 氮等離子放電法

氮等離子放電法是使用N2+、N2、NH3或微等離子體輻射與石墨烯薄膜中產(chǎn)生的碳自由基反應，形成共價C—N鍵或取代石墨烯結構中的C原子，從而制得摻氮石墨烯的方法(圖6a)[83, 84]。輻照條件和退火溫度是調(diào)控摻氮量的重要參數(shù)，濺射時間和基底也是影響N含量和N種類的主要參數(shù)(見表2)。Rybin等報道長時間(大于20 min)的等離子處理可以促進吡咯氮的增加[84]。這是氮等離子放電法與其他NG制備方法最大的不同點，即離子轟擊條件的變化(例如離子束能量、濺射時間)會導致?lián)絅構型之間的轉(zhuǎn)化，導致吡啶氮和石墨氮的總體比例的改變。在轉(zhuǎn)化過程中，等離子的反應性、氣體氣氛的性質(zhì)和目標材料都是重要的影響因素。例如，單層石墨烯和多層石墨烯在相同反應條件下會產(chǎn)生不同的N摻雜構型，其中單層石墨烯上多以吡啶氮的形式存在，而多層石墨烯上一般以石墨氮的形式存在。

表2 氮等離子體處理法制備不同構型氮摻雜石墨烯的基底及其參數(shù)設置

此方法制備的NG尺寸可以達到10 mm×10 mm，有望用于石墨烯基電子裝置的制備(圖6b)[84]。但是，氮等離子體法需要超高真空條件和高能離子束設備，導致其成本較高。近年來，該方法經(jīng)過不斷優(yōu)化，不僅成本降低，而且工藝簡化，質(zhì)量提高。中國科學技術大學朱俊發(fā)課題組[95]采用低能量N2+離子濺射法將N原子直接摻雜到石墨烯中，而無需在含有N的介質(zhì)中進行處理。

氮等離子體處理方法不僅可以很好地控制摻氮量，而且還可以與當前先進半導體硅材料的處理工藝流程兼容。但是，氮等離子體法制備的摻雜石墨烯可能存在10～200 nm的裂縫缺陷(圖6c)[84]。從整體上看，等離子體放電法易制備出高質(zhì)量、高摻氮量的石墨烯。

圖6 氮等離子放電法制備NG[84]：(a)等離子體反應裝置的示意圖；(b)單層NG轉(zhuǎn)移到Si/SiO2襯底上的照片；(c)單層NG的原子力顯微鏡照片F(xiàn)ig.6 NG treated with plasma[84]: (a) structure schematic of plasma reaction device; (b) photo of NG monolayer transferred to Si/SiO2 substrate; (c) atomic force microscope image of NG monolayer

4 可批量化的氮摻雜石墨烯制備技術

由于不同制備方法所得的NG結構各異(納米疇、二維膜和多孔泡沫等)，因此性能難以統(tǒng)一對比，其批量制備所表現(xiàn)的局限性也各不相同。影響批量制備的主要因素有技術壁壘、原料成本、能耗和安全性等。為了進行比較，可以從可控性、可批量、安全性和成本等方面定性地對NG制備方法進行考量。制備方法的可批量化程度應根據(jù)NG的結構類型、應用領域(電化學、電極材料和透明導電膜等)和定制需求(機械強度、電導率和透明度等)進行評估。

直接合成法注重NG的化學可控性與材料的性能，而后處理法在可批量生產(chǎn)和安全性上更具優(yōu)勢(圖7)。在CVD或后退火工藝中用于石墨烯的N摻雜的NH3等含N前驅(qū)體是有毒的，需要仔細處理。而無需使用有毒氣體的卷對卷CVD法制備石墨烯膜已經(jīng)得到了快速發(fā)展[96]，因此，CVD法的批量制備主要問題在于環(huán)境安全性和性價比。溶劑熱法使用了CCl4、金屬K等危險性較高的化工原料，所得反應產(chǎn)物的微觀結構多為納米花。溶劑熱法的氮摻雜類型可控性不高，導致材料性能很難得到提高，但是這種“一鍋法”具有可批量生產(chǎn)的潛力。聚合物環(huán)化脫氫法可以實現(xiàn)化學定制的NG，可精確控制N摻雜的位置以及NG納米帶的結構，有望應用于精密電子器件。但儀器技術成本和壁壘過高、高分子溶解度差等問題導致表面聚合法批量化的技術路線難度最大，但是可定制分子結構使其在微納器件領域表現(xiàn)出巨大的潛力。

圖7 定性比較兩類NG制備方法的優(yōu)缺點Fig.7 Qualitative comparison of advantages and disadvantages of NG preparation methods

后處理法中，熱解法的原料種類豐富、綠色易得，容易實現(xiàn)批量化制備，但是N摻雜含量以及NG的結構性能受限于原料固有的組分和微結構。水熱法的產(chǎn)物多為3D多孔結構，有利于提高傳熱傳質(zhì)過程。通過復合多種無機材料，可實現(xiàn)定制的化學組分，擴大了N-rGO的應用領域，并且水熱法的處理溫度多在200 ℃以下，可實現(xiàn)批量制備。氮等離子法經(jīng)過優(yōu)化后，制備工藝簡化，成本降低，有望實現(xiàn)高質(zhì)量、高摻氮量的二維NG制備。

其他制備方法，如GO在NH3下的高溫熱還原，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中會具有極大的危險性。當GO質(zhì)量較大時，在196 ℃重量急劇下降，這種劇烈的重量損失可引起微爆炸。Du等[97]用三聚氰胺替代NH3顯著改變了GO的熱處理過程。

5 結 語

氮摻雜石墨烯除了具有石墨烯的片層結構和優(yōu)良的性質(zhì)外，還具有較強的離子吸附能力，在電催化、能量儲存、生物傳感器和超級電容器等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，有望成為透明器件、高能量密度電池電極的候選材料。但目前高性能氮摻雜石墨烯材料的批量制備還面臨著許多挑戰(zhàn)。直接合成法注重氮摻雜石墨烯的化學可控性與材料的性能，合成產(chǎn)物適用于精密器件和設備；而后處理法在可批量生產(chǎn)和安全性上更具優(yōu)勢，經(jīng)濟效益明顯。

可批量生產(chǎn)的氮摻雜石墨烯在能源、電子領域表現(xiàn)出巨大的潛力，尤其是鋰離子電池和燃料電池。高能量密度是鋰離子電池的重要評估指標，而借助模板得到的多孔氮摻雜石墨烯同時具備了超高能量密度、超長循環(huán)穩(wěn)定性和超快的傳質(zhì)效率。具有特定氮摻雜構型的氮摻雜石墨烯作為燃料電池非金屬催化劑，其電催化性能甚至比傳統(tǒng)Pt/C催化劑更加優(yōu)異，且大大降低了成本。氮摻雜石墨烯的批量生產(chǎn)必然需要考慮性能和成本的兼顧，無論是性能上的突破還是原料成本的控制，工藝的選擇和優(yōu)化都起到了關鍵的作用。綜合比較多個方法批量制備的優(yōu)缺點，可知化學氣相沉積法制備的氮摻雜石墨烯具有顯著的功能性和良好的可控性，該方法正在不斷推進透明電子器件的性能，使其有望實現(xiàn)真正的應用。