Résultats
Trois types de SSCC ont été synthétisés en recuisant le mélange de précurseurs de carbone (PTCDA riche en oxygène et PAN riche en azote) et de soufre dans un tube de verre sous vide scellé. Le PTCDA riche en oxygène et le PAN riche en azote sont utilisés comme précurseurs de carbone pour introduire de l’oxygène et de l’azote dans les SSCC afin de produire le PTCDA-PAN-S carbonisé, appelé composite CPAPN-S. L’oxygène contenu dans le PTCDA forme des liaisons chimiques avec le PAN riche en azote. L’oxygène dans le PTCDA forme une liaison chimique avec les petites molécules de soufre, tandis que l’azote dans le PAN stabilise le soufre par l’intermédiaire des ions lithium après la première lithiation, tous ces éléments améliorant la teneur en soufre et son utilisation dans le composite CPAPN-S. Comme témoins, les composites CPTCDA-S et CPAN-S ont été synthétisés en utilisant uniquement le PTCDA ou le PAN comme précurseurs de carbone, séparément. Les composites CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S et les trois types de carbone (CPTCDA, CPAN et CPAPN) sans soufre ont été caractérisés par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), microscope électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique à transmission (TEM). Comme indiqué dans l’annexe SI, Fig. S1 A-C, trois types de carbones (CPTCDA, CPAN, et CPAPN) présentent des structures amorphes. Après la cocarbonisation avec du soufre, CPAPN-S (Fig. 1A) et CPAN-S (Annexe SI, Fig. S1E) sont toujours dans une structure amorphe en raison du bon confinement de CPAPN et CPAN au soufre, tandis que CPTCDA-S (Annexe SI, Fig. S1D) montre la structure cristalline du soufre, démontrant que CPTCDA n’est pas capable de confiner tout le soufre, et qu’il y a toujours quelques S8 à structure en anneau dans CPTCDA-S. Les spectroscopies Raman et FTIR ont été utilisées pour analyser davantage la structure de CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S et des trois types de carbones. Les forts pics Raman (Annexe SI, Fig. S2 A-C) à 1 350 cm-1 et 1 580 cm-1 représentent la bande D (carbone désordonné) et la bande G (carbone graphitique) du PTCDA, du PAN et du PTCDA/PAN carbonisés. Dans le CPAPN-S (Fig. 1B) et le CPTCDA-S (Annexe SI, Fig. S2D), il y a deux pics nets à 475 cm-1 et 930 cm-1 et un petit pic à 790 cm-1, représentant le mode d’étirement S-S, la vibration C-O et le mode d’étirement C-S, respectivement (49, 50). Les deux pics larges à 310 cm-1 et 370 cm-1 représentent les vibrations S-O (50). Dans les spectres FTIR pour CPTCDA, CPAN, CPAPN, CPTCDA-S et CPAN-S (Annexe SI, Fig. S3) et CPAPN-S (Fig. 1C), les deux pics forts à 1 240 cm-1 et 1 510 cm-1 représentent les vibrations de la chaîne alicyclique et les vibrations de la chaîne du cycle aromatique, respectivement, tandis que le petit pic à ∼790 cm-1 (Fig. 1C) représente la vibration C-S dans CPAPN-S. La structure de surface de CPAPN-S a été caractérisée plus en détail par XPS dans les Fig. 1 D-F, où le pic C 1s à 284,2 eV (Fig. 1D) correspondant au carbone graphitique est utilisé comme énergie de liaison de référence. Le pic a été ajusté pour montrer les énergies de liaison des différentes fonctionnalités du carbone. Le spectre N 1s de la Fig. 1E démontre qu’il existe trois types de liaisons d’azote dans le composite CPAPN-S, qui sont attribuées à l’azote pyridinique à 397,8 eV, à l’azote pyrrolique à 399,9 eV et à l’azote oxydé à 402,5 eV (51). Les azotes pyridinique et pyrrolique proviennent du PAN carbonisé, tandis que l’azote oxydé est le produit de la réaction entre l’azote du PAN carbonisé et l’oxygène du PTCDA carbonisé. Le spectre S 2p de la figure 1F montre qu’il y a quatre types de soufre dans le composite CPAPN-S, qui sont attribués au soufre aromatique à 161,1/162,3 eV, au soufre dans les groupes S-S et S-C à 163,2/164,4 eV, au soufre dans le groupe S-O-C à 164,8/166,0 eV, et à l’autre soufre oxydé à 167,2/168,4 eV et 169,3/170,4 eV (52). L’infiltration in situ de petites molécules de soufre dans le PTCDA et le PAN carbonisés génère une variété de liaisons C-S et O-S dans le composite CPAPN-S, ce qui pourrait augmenter la teneur en soufre et stabiliser les petites molécules de soufre dans le composite. La morphologie des SSCCs et des carbones correspondants est caractérisée par SEM. Comme le montrent la Fig. 1G et la Fig. S4 de l’annexe SI, le PTCDA carbonisé, le PAN et le mélange de PTCDA et de PAN sont constitués de particules de taille micro, tandis que les particules des SSCC se réduisent à l’échelle nanométrique en raison de la réaction entre le soufre et les carbones organiques/polymères. Des cartographies TEM et élémentaires ont été réalisées afin de caractériser davantage le composite CPAPN-S. Comme le montrent la figure 1H et la figure S5 de l’annexe SI, les particules CPAPN-S de taille nanométrique s’agrègent en une particule de taille micro, et l’oxygène, l’azote et le soufre sont uniformément répartis dans la matrice de carbone et sont liés les uns aux autres, ce qui stabilise fortement le soufre. Comme le montre l’analyse thermogravimétrique (TG) dans l’annexe SI, Fig. S6, seule une perte de poids de 4 % du composite CPAPN-S a été observée après un recuit à 600 °C, tandis que le résultat de l’analyse élémentaire montre qu’il y a 60 % en poids de soufre, 28 % en poids de carbone, 2 % en poids d’azote et 8 % en poids d’oxygène dans le composite. La teneur en soufre de CPAPN-S est également confirmée par l’analyse élémentaire TEM dans l’annexe SI, figure S7. La liaison chimique entre le soufre et l’oxygène/carbone stabilise les petites molécules de soufre et empêche l’évaporation du soufre. Les caractérisations des matériaux prouvent la liaison chimique de S-O et S-C dans le composite CPAPN-S.