总结：本文系统总结了氮（N）掺杂作为材料改性手段的原理、方法、优势及其在催化领域的具体应用。
N掺杂因其资源丰富、电子结构调控能力强以及适用材料广泛而被广泛应用，常采用高温氨气处理、前驱体共混、等离子体处理等方法实现。
掺杂后的材料可显著提升催化性能、导电性、吸附能力及界面润湿性。特别是在碳材料中，吡啶型和吡咯型N对催化活性具有决定性作用。多项研究进一步证实N掺杂在电容去离子、燃料电池及无金属氧还原催化等方面的关键价值，揭示了其在材料设计与性能优化中的核心地位。
在材料科学与催化领域，掺杂是一种常见且高效的材料改性策略。通过在材料中引入异质原子，可以显著调控其电子结构、表面性质和反应活性。氮（N）掺杂因其独特的化学性质和对材料性能的多重调控能力，成为近年来极为常见的材料改性手段。
元素资源丰富与绿色环保
氮元素在地壳和空气中含量丰富，原料获取方便且成本低，不会带来环境和健康风险。
电子结构调控能力强
氮原子具有较高的电负性和独特的p轨道结构，能够有效调节材料的电子分布，提升材料的导电性和反应活性。
兼容性好，适用范围广
N掺杂几乎适用于所有主流功能材料，包括碳材料（如石墨烯、碳纳米管）、半导体材料（如TiO₂、ZnO）、金属氧化物、金属硫化物等。
简便的合成方法
N掺杂可以通过高温氨气处理、溶液法、气相沉积法、等离子体法等多种常规化学和物理方法实现，技术门槛相对较低。
DOI: 10.1038/s41467-018-05878-y
N掺杂的实现方式多种多样，根据材料类型和应用需求可以灵活选择。常见的N掺杂方式主要包括：
高温氨气处理法
将目标材料在高温下暴露于氨气（NH₃）环境中，利用氨气中的氮原子渗入材料结构，实现金属氧化物、碳材料等的N掺杂。这是最常用且操作简便的一种方式。
前驱体共混/溶液法
在材料前驱体合成阶段，直接引入含氮化合物（如尿素、三聚氰胺、脲等）与原料共混，经高温煅烧或热解后形成N掺杂材料。该方法广泛用于碳材料和多孔材料的制备。
等离子体处理法
通过等离子体源（如氮气等离子体）提供高能活性氮物种，使其在低温或常温条件下掺杂进材料表面，适用于薄膜和纳米结构的表面N掺杂。
气相沉积法（CVD/PVD）
利用气相化学反应沉积技术，在材料生长过程中同步引入含氮气体，实现原位掺杂。该法适合制备高均匀性和高品质的薄膜与纳米材料。
离子注入法
采用离子束设备，将氮离子直接注入到目标材料中，可精准调控掺杂深度和浓度，适合半导体和特殊电子器件的N掺杂。
水热/溶剂热法
在密闭反应釜中，利用高温高压条件，将含氮前驱体和目标材料共同反应，达到掺杂效果。适用于合成纳米结构和微球材料。
共价接枝与后修饰
通过化学反应将氨基等含氮官能团接枝到材料表面，实现表面功能化N掺杂，多用于催化剂和功能化碳材料。
这些掺杂方式各具优势，可根据具体材料特性和性能需求灵活选择和组合。
提升催化性能
N掺杂后，材料常表现出更高的催化活性和选择性。例如在电催化、光催化和电化学储能等领域，N掺杂都可显著提升反应效率。
改善导电性和电荷传输能力
特别是在碳材料中，N掺杂能有效提升载流子的迁移率和材料的整体导电性能，有利于电化学反应和能量转换。
增强反应物分子的吸附/解离能力
对于一些关键反应（如O₂、CO₂、H₂O等的还原与氧化），N掺杂可以优化反应物在材料表面的吸附状态，促进反应路径的发生。
拓展材料功能性和适用场景
通过调控N掺杂的类型和含量，可以实现对材料带隙、亲疏水性、界面性质等多维度的精准调控，为传感、储能、环境治理等多领域应用提供支持。
N掺杂的具体方式与材料类型密切相关，尤其在碳材料领域最为典型。主要类型包括：
吡啶型N（Pyridinic N）
N原子位于碳六元环的边缘，参与形成两个C-N键，类似于吡啶分子结构。常被认为是提升氧还原反应（ORR）催化活性的关键位点。
吡咯型N（Pyrrolic N）
N原子参与五元环结构，形成与两个碳原子的共价键，类似于吡咯分子结构。对提升材料的电容和电子传输能力有积极作用。
石墨型N（Graphitic N）
N原子替代了石墨碳六元环内的碳原子，位于平面内，有利于提高材料的导电性和稳定性。
氧化型N（Oxidized N）
N原子与氧原子结合，形成氮氧官能团，常存在于材料表面，影响材料的表面化学性质。
其他特殊类型
如氨基修饰、共价接枝等，通过表面功能化进一步增强N掺杂材料的特殊性能。
DOI: 10.1007/s43979-025-00122-1
该研究聚焦于N掺杂碳材料（NCs）在电容去离子（Capacitive Deionization, CDI）中的性能提升，并特别探讨了不同N原子构型和协同氧掺杂的作用。
作者发现，N掺杂不仅极大地改善了碳材料的电化学性能和去盐能力，而且N的构型分布（如吡啶型N、吡咯型N、石墨型N）对性能提升有关键影响。
提升导电性与电子结构优化：石墨型N（graphitic N）嵌入碳骨架，增强sp²杂化网络，提升整体电导率，这有助于离子传输和电极反应速率的提升。
活性位点与表面反应性增强：吡啶型N（pyridinic N）和吡咯型N（pyrrolic N）分布于边缘和缺陷位点，能有效提升碳材料的表面反应活性，促进离子吸附和电荷转移。
缺陷诱导与多孔结构优化：N、O共掺杂会引入更多结构缺陷，形成丰富的多级孔结构，提高比表面积和离子通道数目，从而显著增强离子存储和传输效率。
调控材料的亲水性与界面润湿性：N掺杂能提升碳材料表面对电解液的润湿性，使离子能够更快速、更均匀地到达活性位点，提高CDI过程的反应动力学。
调控吸附能与动力学行为：通过DFT理论计算，作者揭示N-5（吡咯型N）和N-6（吡啶型N）位点对钠离子的吸附能更高，结合微量氧掺杂，进一步提升了吸附能和反应动力学。
该研究的亮点在于，利用鸟嘌呤作为前驱体精准调控N构型并引入微量O掺杂，获得高含量的吡啶型和吡咯型N，最终制备的ONC-S电极表现出优异的比电容（298 F/g）、循环稳定性和去盐效率。
综上，N掺杂在提升碳材料CDI性能中起到主导作用，既改善了材料的电子结构和孔隙分布，又赋予材料更强的离子吸附与反应活性。
该研究针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的Pt基催化剂，系统研究了N掺杂碳载体对Pt纳米颗粒（Pt NPs）分散、界面电子结构及催化氧还原反应（ORR）活性的影响。研究创新点在于通过软氮化法实现高纯度吡啶型N和吡咯型N掺杂，并最小化其它N物种的影响。
增强金属-载体界面作用：N掺杂碳载体上的吡啶型和吡咯型N与Pt原子在碳骨架缺陷位点发生强相互作用，提高Pt原子的结合能。这不仅促进Pt纳米颗粒的高分散性和粒径均一性，还显著抑制Pt团聚和脱落。
优化电子结构，促进电荷转移：XPS测试显示，Pt/N掺杂碳催化剂中Pt²⁺比例显著提升（由36%升至48%），表明Pt向N掺杂碳载体发生了更强的电子转移，调控了界面电子结构，利于ORR的进行。
提高Pt利用率与催化活性：高比例吡啶型/吡咯型N的存在促进了Pt颗粒的小型化和高均匀分布，使Pt的电化学活性表面积（ECSA）和质量活性（MA）均大幅提升，Pt/N掺杂碳催化剂的MA高达0.595 A/mgPt，是未掺杂样品的3.3倍。
优化ORR界面吸附能：通过DFT理论计算，作者证明Pt团簇与吡啶型/吡咯型N载体之间的强相互作用带来更适宜的氧分子吸附能，有利于ORR反应的高效进行。
提升材料稳定性和耐腐蚀性：N掺杂提升了碳载体的热稳定性和抗腐蚀性能，有助于催化剂的长期稳定运行。
综上，N掺杂不仅提升了Pt颗粒的分散性和负载量，还通过电子结构和表界面调控显著提升了Pt基催化剂的ORR催化性能。N掺杂位点尤其以吡啶型和吡咯型N最为关键，它们为金属-载体界面工程和高效电催化反应提供了重要理论与应用依据。
本工作以氢取代石墨炔（HsGDY）为碳基体，通过选择性掺杂吡啶型N，开发出高效的无金属氧还原（ORR）催化剂，并详细阐述了N掺杂位点结构对催化活性的决定性作用。其科学贡献主要体现在：
明确吡啶型N的优势作用：在碳基材料常见的N掺杂构型（吡啶型、吡咯型、石墨型）中，吡啶型N被认为对ORR最具促进作用，能显著提升催化活性。吡啶型N能够有效调控碳材料的电子结构，提升O₂的吸附与活化能力。
突破掺杂位置限制，提升有效N含量：传统石墨烯等材料中，吡啶型N仅能掺杂在边界或缺陷位点，数量有限。HsGDY由于结构特殊，氢原子与苯环内C原子结合，形成类“缺陷”结构，使得吡啶型N不仅能掺杂于材料边缘，还能实现大尺度面内掺杂，大幅提升了吡啶型N的有效含量。
提升电催化活性及耐久性：经过NH₃高温处理后，HsGDY成功实现高含量、选择性吡啶型N掺杂，所制得催化剂在碱性条件下的ORR活性优于商用Pt/C，在酸性条件下也具备媲美Pt/C的活性。此外，材料显示出优异的长期稳定性和耐甲醇毒化能力。
理论与实验相结合，揭示结构-性能关系：DFT计算证实，吡啶型N的掺杂显著提升了ORR过程中关键中间体的吸附能，有利于O₂还原动力学的加速；同时，HsGDY特殊的多孔结构和高比表面积也为O₂和H₂O传输提供了高效通道，进一步提升了反应效率。
定向掺杂方法的普适性：该方法为构建高效无金属电催化剂提供了新范式，为后续各种N掺杂碳材料的定向设计和应用拓展提供了理论基础和技术路径。
该研究充分证明，N掺杂（特别是吡啶型N）是实现高效金属自由ORR催化剂的核心要素，而合理选择基体结构（如HsGDY）能够极大拓展N掺杂的掺杂位置和含量，从而突破传统碳材料在N掺杂上的瓶颈，为碳基电催化材料的功能设计带来了新思路。
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