Resultater
Tre typer SSCC’er blev syntetiseret ved udglødning af blandingen af kulstofprækursorer (iltrigt PTCDA og nitrogenrigt PAN) og svovl i et forseglet vakuumglasrør. Det iltrige PTCDA og det nitrogenrige PAN anvendes som kulstofprækursorer til at indføre ilt og nitrogen i SSCC’erne for at fremstille det carboniserede PTCDA-PAN-S, der betegnes som CPAPN-S-komposit. Ilten i PTCDA danner kemiske bindinger med små svovlmolekyler, mens kvælstof i PAN stabiliserer svovl gennem lithiumioner efter første lithiation, hvilket alt sammen øger svovlindholdet og udnyttelsen i CPAPN-S-kompositmaterialet. Som kontrol blev CPTCDA-S- og CPAN-S-kompositter syntetiseret ved kun at bruge PTCDA eller PAN som kulstofprækursorer hver for sig. CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S og de tre typer kul (CPTCDA, CPAN og CPAPN) uden svovl blev karakteriseret ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD), Raman-spektroskopi, Fourier-transform-infrarødspektroskopi (FTIR), røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), scanningelektronmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM). Som angivet i SI Appendix, Fig. S1 A-C, udviser tre typer af kulstof (CPTCDA, CPAN og CPAPN) amorfe strukturer. Efter samkultivering med svovl er CPAPN-S (fig. 1A) og CPAN-S (SI Appendix, fig. S1E) stadig i amorf struktur på grund af CPAPN’s og CPAN’s gode indeslutning af CPAPN og CPAN til svovl, mens CPTCDA-S (SI Appendix, fig. S1D) viser svovlkrystalstrukturen, hvilket viser, at CPTCDA ikke er i stand til at indeslutte alt svovl, og der er stadig nogle ringstrukturerede S8 i CPTCDA-S. Raman- og FTIR-spektroskopi blev brugt til yderligere at analysere strukturen af CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S og de tre typer kulstof. De stærke Raman-toppe (SI Appendix, Fig. S2 A-C) ved 1350 cm-1 og 1580 cm-1 repræsenterer D-båndet (uordnet kulstof) og G-båndet (grafitisk kulstof) for det carboniserede PTCDA, PAN og PTCDA/PAN. I CPAPN-S (fig. 1B) og CPTCDA-S (SI Appendix, fig. S2D) er der to skarpe toppe ved 475 cm-1 og 930 cm-1 og en lille top ved 790 cm-1, som repræsenterer henholdsvis S-S-strækningsmodus, C-O-vibration og C-S-strækningsmodus (49, 50). De to brede toppe ved 310 cm-1 og 370 cm-1 står for S-O-vibrationerne (50). I FTIR-spektre for CPTCDA, CPAN, CPAPN, CPTCDA-S og CPAN-S (SI Appendix, Fig. S3) og CPAPN-S (Fig. 1C) står de to stærke toppe ved 1240 cm-1 og 1510 cm-1 for henholdsvis de alicykliske kædevibrationer og aromatiske ringkædevibrationer, mens den lille top ved ∼790 cm-1 (Fig. 1C) repræsenterer C-S-vibrationen i CPAPN-S. Overfladestrukturen af CPAPN-S blev yderligere karakteriseret ved XPS i fig. 1 D-F, hvor C 1s-toppen ved 284,2 eV (fig. 1D), der svarer til grafitisk kulstof, anvendes som referencebindingsenergi. Toppen er blevet tilpasset for at vise bindingsenergierne for de forskellige funktionaliteter af kulstof. N 1s-spektret i fig. 1E viser, at der er tre typer nitrogenbindinger i CPAPN-S-kompositten, som er tildelt pyridinisk nitrogen ved 397,8 eV, pyrrolic nitrogen ved 399,9 eV og oxideret nitrogen ved 402,5 eV (51). De pyridiniske og pyrrolitiske nitrogener stammer fra det forkullede PAN, mens det oxiderede nitrogen er et produkt af reaktionen mellem nitrogen i det forkullede PAN og oxygen i det forkullede PTCDA. S 2p-spektret i fig. 1F viser, at der er fire typer svovl i CPAPN-S-kompositten, som er tildelt aromatisk svovl ved 161,1/162,3 eV, svovl i S-S- og S-C-grupper ved 163,2/164,4 eV, svovl i S-O-C-grupper ved 164,8/166,0 eV og det øvrige oxiderede svovl ved 167,2/168,4 eV og 169,3/170,4 eV (52). In situ-infiltreringen af små svovlmolekyler i den carboniserede PTCDA og PAN genererer en række C-S- og O-S-bindinger i CPAPN-S-kompositten, hvilket kan øge svovlindholdet og stabilisere de små svovlmolekyler i kompositten. Morfologien af SSCC’erne og de tilsvarende kulstoffer er karakteriseret ved SEM. Som vist i fig. 1G og SI Appendix, fig. S4, består den forkullede PTCDA, PAN og blandingen af PTCDA og PAN af partikler i mikrostørrelse, mens partiklerne i SSCC’erne falder til nanoskala som følge af reaktionen mellem svovl og organiske/polymerafledte kulstoffer. Der blev udført TEM- og elementarkarakteriseringer for yderligere at karakterisere CPAPN-S-kompositten. Som vist i fig. 1H og SI Appendix, fig. S5, aggregeres CPAPN-S-partikler i nanostørrelse til en partikel i mikrostørrelse, og ilt, nitrogen og svovl er jævnt fordelt i kulstofmatrixen og er bundet til hinanden, hvilket stærkt stabiliserer svovl. Som det fremgår af den termogravimetriske (TG) analyse i SI Appendix, Fig. S6, blev der kun observeret et vægttab på 4 % af CPAPN-S-kompositten efter udglødning til 600 °C, mens resultatet af den elementære analyse viser, at der er 60 vægtprocent svovl, 28 vægtprocent kulstof, 2 vægtprocent nitrogen og 8 vægtprocent oxygen i kompositten. Indholdet af svovl i CPAPN-S bekræftes også af TEM-elementaranalysen i SI Appendix, Fig. S7. Den kemiske binding mellem svovl og ilt/kulstof stabiliserer de små svovlmolekyler og forhindrer fordampning af svovl. Materialekarakteriseringerne beviser den kemiske binding af S-O og S-C i CPAPN-S-kompositten.