1. 背景异质原子掺杂是调控石墨烯电子结构、层间距和电化学活性的重要手段其中硼取代能够削弱碳骨架表面负电性、提高功函数并为 Li 迁移提供更有利的电子环境。然而传统原位合成或后处理方法往往耗时较长、溶剂消耗大且掺杂多集中在边缘或缺陷位难以实现深层、均匀、可放大的晶格取代。快速焦耳热因可在极短时间内实现高温、电场耦合处理正在成为石墨烯还原和异质原子调控的新工具但如何兼顾高效还原、深度掺杂、结构完整性和电池长循环性能仍是材料制备与应用之间的关键问题。2. 论文概要本研究中北京航空航天大学王华、中北大学梁君飞、侯封校及王凯团队提出脉冲快速焦耳热PRJH策略在无催化剂、无溶剂条件下先以 2700 °C、4 x 10 s 将氧化石墨烯快速还原为 RGO再以 1350 °C、10 x 3 s 将硼深度引入 RGO 骨架得到 B 取代还原氧化石墨烯RGO-B。DFT 计算表明B-C/B-C-O 构型可显著降低 Li 迁移能垒并促进电子转移XPS、SIMS、HRTEM、AFM、KPFM 等表征证明 PRJH 同时实现脱氧、晶格修复、层间距扩展、深层硼扩散和功函数提升。作为锂离子电池负极RGO-B 在 0.5 C 下 800 圈后保持 415.5 mAh/g在 13 C 超高倍率下循环 20,000 圈后仍有 115.9 mAh/g容量保持率超过 100%显示出快速制备深度掺杂石墨烯用于长寿命储能的应用潜力。3. 图文解读图 1 | PRJH 制备路线与硼取代构型的理论依据图 1 展示了 PRJH 的两步处理路径GO 在 2700 °C、4 x 10 s 内快速还原为 RGORGO/B 前驱体在 1350 °C、10 x 3 s 内转化为 RGO-B。DFT 结果表明形成 B-C/B-C-O 键的 RGO-B1 构型具有更强 Li 结合稳定性和最低迁移能垒仅 0.0751 eV电子密度差分也显示更充分的电荷转移说明深度硼取代能够从原子尺度改善 Li 与电子协同传输。图 2 | PRJH 同步实现脱氧、硼取代和导电性提升图 2 证明 PRJH 处理后石墨烯碳晶体结构仍被保留同时氧含量由 GO 的 22.2% 降至 RGO-B 的 2.2%并引入约 2.0% B。XPS 中 C-B 键占 C 1s 的 20.57%B 1s 以 B-C-O/B-C 构型为主说明硼并非简单表面吸附而是进入碳骨架形成有效化学键孔径由 13.6 nm 增至 21.2 nm电阻率降至约 0.006 ohm m表明材料兼具更通畅的离子扩散通道和更优电子输运能力。图 3 | 微观结构揭示硼的深度扩散与层间距扩展图 3 从 TEM、EDX、HRTEM 和 SIMS 角度确认了“深度取代”的结构证据。PRJH 后 RGO-B 出现明显弯曲褶皱HRTEM 观察到 0.213 nm 的 B-C 相关晶格间距(002) 层间距由 RGO 的 0.335 nm 扩大至 0.342 nm有助于降低 Li 扩散阻力。SIMS 二维和三维深度分析显示 B 在初始溅射阶段发生扩散并最终趋于均匀分布说明多脉冲热冲击可驱动硼进入体相而不仅局限于表面。图 4 | 脉冲热场诱导剥离、褶皱和气泡化层状结构图 4 通过 AFM 展示 GO、RGO 和 RGO-B 的层状形貌演化PRJH 过程中含氧官能团瞬时分解产生 CO2 和 H2O 蒸气局部压力促使堆叠片层被撬开并发生物理剥离使厚度由 GO 的约 609.3 nm 降至 RGO-B 的约 110.3 nm。RGO-B 表面出现热诱导气泡和褶皱这类非平整结构增加可接触位点并有助于稳定 B-O/B-C-O 等取代构型。图 5 | 硼取代调控表面电势并提升功函数图 5 的 KPFM 三维表面电势图表明RGO-B 的表面电势高于 GO 和 RGO对应功函数提升和费米能级降低验证了硼作为电子受体对碳基体电子结构的调控作用。褶皱峰值区域电势高于平坦区域而气泡区域可达约 1.07 V指向 B-C/B-C-O 富集位点的更高功函数结合 zeta 电位结果RGO-B 表面负电性减弱有利于降低 Li 迁移阻力并改善循环稳定性。图 6 | RGO-B 负极实现高倍率和超长循环锂存储图 6 将结构调控与电池性能直接关联起来。RGO-B 在不同电流密度下均优于 GO 和 RGO高倍率优势尤其明显在 0.5 C 下循环 800 圈后保持 415.5 mAh/gEIS 显示电荷转移电阻由初始约 600 ohm 降至 20 ohm说明循环后界面动力学被激活。更关键的是RGO-B 在 13 C 下经 20,000 圈仍保持 115.9 mAh/g库伦效率约 99.7%并在 RGO-B//LiFePO4 全电池中表现出稳定容量证明深度硼取代石墨烯具备面向快充和长寿命电池的应用价值。4. 总结展望这项工作的意义在于把异质原子掺杂从“表面修饰”推进到“脉冲热场驱动的深度晶格取代”PRJH 以秒级高温冲击同步完成 GO 脱氧、结构修复、B 深度扩散和电子结构调控并将这些结构优势转化为高倍率、超长循环的锂存储性能。未来若能进一步量化硼含量、键合构型、层间距和孔结构对首效、快充安全性及全电池能量密度的影响并在更大批量连续化装置中验证一致性该策略有望成为掺杂石墨烯及其他碳基电极材料绿色、快速、可放大制备的重要路径。论文信息Wang, K. et al. Pulsed Thermal Shock Enables Deep Heteroatom Substitution and Substantial Reduction of Graphene. eChem 2026, 2(1), 3. DOI: 10.53941/echem.2026.100003.