氮掺杂磁性石墨烯的自催化热解合成机制与性能研究

摘要

针对现有磁性石墨烯合成工艺复杂、成本高昂及磁性颗粒分散不均等问题，本研究提出基于石墨相氮化碳（g-C₃N₄）与二茂铁协同自催化热解的一步法制备氮掺杂磁性石墨烯。通过调控热解温度（450℃～720℃），精准控制磁性组分比例与碳层厚度，并系统揭示了材料形成机制：g-C₃N₄作为碳/氮前驱体，其热解产物通过碳热还原将二茂铁衍生的铁氧化物转化为碳包覆铁碳化物（5～8层石墨烯壳层，间距0.34 nm），同时铁物种催化sp2碳网络重构（XPS显示C=C峰强度提升75%）。研究结果表明，所得材料兼具高比表面积（344.25 m²/g）、均匀介孔结构（孔径15.38 nm）及多功能特性：电磁性能方面，材料在2 mm厚度下于10.2 GHz处呈现-7 dB的局部反射损耗极值；当厚度优化至3.5 mm时，其有效吸收带宽（反射损耗≤-10 dB）扩展至7.4 GHz（覆盖8 GHz～15.4 GHz），展现出宽频电磁调控能力；压阻响应性显著，32 MPa压力下电阻率降至0.2 n·cm；磁化强度达46.49 emu/g，极低的剩磁比（Mr/Ms≈0.02），矫顽力0.046 356 T，呈现典型软磁特性。材料表面亲水性（接触角36.6°）与氮掺杂（质量分数3.78%）协同提升了环境介质相容性。相较于传统多步法，该方法通过自催化机制简化工艺，显著改善了磁性颗粒分散稳定性难题，为电磁屏蔽与环境修复领域的应用提供了高性能材料基础。

关键词

氮掺杂磁性石墨烯 / 合成机理 / 自催化热解 / 结构表征 / 电磁性能 / 环境修复