Азот‑допированный графен (N‑doped graphene), выступая в роли безметаллического катализатора или носителя металлических наночастиц, демонстрирует огромный потенциал в таких областях, как электрохимический и фотокаталитический процесс, а также очистка окружающей среды. Его уникальная электронная структура и поверхностные свойства обусловлены введением атомов азота, что позволяет существенно улучшить характеристики материала в ключевых электрохимических реакциях, таких как реакция восстановления кислорода (ORR). В настоящее время широко применяются такие распространённые источники азота, как меламин, благодаря его высокому содержанию азота — до 66,7%; при этом термическая обработка остаётся основным методом получения азот‑допированного графена. Кроме того, графитовый фазовый карбид азота (g‑C₃N₄), являясь одним из видов карбидов азота, привлекает внимание благодаря своим полупроводниковым свойствам и химической стабильности, что делает его перспективным для фотокаталитического разложения воды и органического синтеза. Однако применение g‑C₃N₄ в электрохимическом каталитическом деле пока ограничено; сочетание его с восстановленным оксидом графита (rGO) позволяет объединить преимущества обоих материалов — например, повысить механическую прочность и эффективность переноса заряда — и открывает новые подходы к созданию высокоэффективных металл‑углеродных каталитических систем.

Однако традиционные методы азотного легирования обычно проводят при высоких температурах 800–1000 °C в инертной атмосфере, что не только требует значительных энергозатрат, но и предъявляет высокие технологические требования. Несмотря на то что в ряде исследований предпринимались попытки осуществить одновременное восстановление и азотное легирование при низких температурах в воздушной среде, сохраняется сложность балансировки условий реакции и свойств получаемого продукта. Например, термическое разложение смеси меламина с оксидом графена (GO) до сих пор не изучено полностью; особенно в воздушной среде остаются недостаточно ясными механизмы антиоксидантной защиты и эффективность азотного легирования, требующие дальнейшей проверки. Кроме того, влияние соотношения компонентов композитного материала и температуры термообработки на фазовый состав rGO и g‑C₃N₄, а также на содержание азота в конечном продукте пока не подвергалось систематическому исследованию. Эти проблемы ограничивают масштабируемое производство и оптимизацию свойств таких материалов для их практического применения, например в электрохимическом каталитическом органическом синтезе.

В связи с текущим состоянием композитных материалов на основе азот‑легированного графена и графитообразного карбида азота зарубежные исследовательские группы провели углублённое изучение с использованием стационарных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании Zeyou Technology. Команда сосредоточилась на механическом смешении оксида графена с меламином по «сухому» методу и последующей термической обработке в воздушной среде при 450–550 °C, благодаря чему успешно получила азот‑допированные углеродные материалы, основу которых составляют восстановленный оксид графена и g‑C₃N₄. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Eurasian Journal of Chemistry под названием «Получение графена, содержащего азот, с использованием меламина в качестве источника азота».

Настоящее исследование посвящено разработке простого «сухого» термического метода получения азот‑допированных графеновых композитов и систематическому изучению их структурных характеристик и механизмов формирования. Исследовательская группа использовала оксид графена (GO) и меламин в качестве исходных материалов; после механического смешивания проводили термическую обработку в воздушной среде при температуре 450–550 °C, в результате чего успешно получили композит, состоящий из восстановленного оксида графена (rGO) и графитного фазового карбида азота (g‑C₃N₄). Этот подход позволяет преодолеть ограничения традиционных методов азотного легирования, требующих проведения процесса в инертной атмосфере при высоких температурах (800–1000 °C), и открывает новые перспективы для разработки недорогих и высокоэффективных азот‑допированных углеродных материалов.

В ходе исследования сначала был получен оксид графена по усовершенствованному методу Хаммерса, а затем с помощью титрования по Бёму системно проанализированы виды и содержание поверхностных кислородсодержащих функциональных групп. Экспериментально установлено, что исходный оксид графена содержит значительное количество гидроксильных, карбоксильных и эпоксидных групп; в процессе последующей термической обработки эти функциональные группы подвергаются разложению и превращениям различной степени. Термогравиметрический анализ (TGA) позволил выявить особенности термического разложения смеси GO с меламином: при разложении меламина в диапазоне 300–400 °C выделяющиеся газы, в том числе аммиак, эффективно предотвращают быстрое окисление графена и одновременно обеспечивают внедрение атомов азота.

Исследовательская группа с использованием различных методов характеризации подробно проанализировала структурные и морфологические особенности полученного продукта. Рентгеновская дифракция (XRD) и инфракрасная спектроскопия (FTIR) показали, что после термической обработки при 500–550 °C в образце присутствуют две фазы — rGO и g‑C₃N₄. Анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) выявил, что графеновые слои в композите находятся в состоянии отслоения, их толщина составляет 7–45 нм, а поверхность покрыта продуктами термического распада меламина. Элементный анализ подтвердил, что при соотношении GO и меламина 1:2 и температуре 550 °C можно получить высокое содержание g‑C₃N₄ — массовая доля азота достигает 35,56%.

Новизна данного исследования заключается в разработке простого и экономичного метода получения азот‑допированного графена, а также в выяснении закономерностей влияния соотношения исходных компонентов и температуры термической обработки на состав полученного продукта. Результаты показали, что при соотношении оксида графена (GO) и меламина 1:2 и термической обработке при 550 °C можно получить идеальный композит rGO/g‑C₃N₄; такой материал обладает потенциалом в качестве носителя металлических наночастиц и может быть использован для создания высокоэффективных электрохимических каталитических систем. Настоящая работа предоставляет важную экспериментальную базу и теоретические ориентиры для применения азот‑допированных углеродных материалов в области катализа, энергетики и других областей.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технолоджи — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным требованиям in situ‑экспериментов. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — с ним легко справятся и непрофессионалы; при этом его стоимость приобретения и эксплуатации ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов. В настоящее время он стал одним из наиболее популярных устройств среди многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.