Plasma–Electromagnetic Coupling-Driven Efficient Microwave Solid-Phase Synthesis of N, P-Doped Graphene with Synergistic Effects on Li–S Redox Kinetics

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作者
Chao Yang,Qiang Guo,Leping Deng,Yifang Li,J. Yang,Yijia Wang,Haoliang Liu,Fan Zhang,Junmei Tian,Xiaogang Han
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 7924-7935
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c02094
摘要

Microwave synthesis is emerging as an efficient low-complexity route for energy-storage materials. However, current studies on microwave-treated graphene and related carbon largely emphasize end-state structures or performance, leaving the underlying energy-conversion mechanisms poorly understood. Here, we develop a mechanism-guided solid-phase microwave synthesis strategy, enabled by electromagnetic field–plasma coupling, for the efficient minute-scale preparation of N/P-doped graphene and demonstrate its synergistic role in enhancing Li–S redox kinetics. A novel microwave heating mechanism is supported by multiphysics simulations, which reveal that plasma–electromagnetic coupling progressively elevates effective conductivity and enhances ohmic dissipation. Among them, charged-particle transport enables plasma penetration into the graphene dielectric, inducing significant intraparticle heating that is inaccessible to conventional thermal heating. Applying this microwave synthesis technique, a graphene microreactor accelerates precursor decomposition and promotes efficient N/P incorporation into the carbon lattice, enabling controllable and scalable construction of NG, PG, and NP-G in 4 min. A Li–S cell employing NP-G as an interlayer delivers an excellent initial specific capacity of 1438.2 mAh g–1 at 0.2 C and enhanced cycle stability. Density functional theory calculations further suggest that N/P doping drives charge-density redistribution and strengthens lithium polysulfide binding, with P enhancing electron donation and pyridinic-N sites providing strong adsorption, thereby rationalizing the observed catalytic synergy in the Li–S cell. This work links microwave energy dissipation with heteroatom doping and interfacial redox kinetics, providing a mechanistic basis for ultrafast synthesis and application of functional graphene.
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