Eredmények
Háromféle SSCC-t szintetizáltunk szén prekurzorok (oxigénben gazdag PTCDA és nitrogénben gazdag PAN) és kén keverékének lágyításával egy lezárt vákuumüvegcsőben. Az oxigénben gazdag PTCDA-t és a nitrogénben gazdag PAN-t szén prekurzorként használták az SSCC-kbe történő oxigén- és nitrogénbevitelhez, hogy előállítsák a karbonizált PTCDA-PAN-S-t, amelyet CPAPN-S kompozitként jelölünk. A PTCDA-ban lévő oxigén kémiai kötést képez a kis kénmolekulákkal, míg a PAN-ban lévő nitrogén az első lítiumionok révén stabilizálja a ként az első lítiálás után, amelyek mindegyike növeli a CPAPN-S kompozit kéntartalmát és felhasználását. Kontrollként CPTCDA-S és CPAN-S kompozitokat szintetizáltak úgy, hogy csak PTCDA-t vagy PAN-t használtak külön-külön szén prekurzorként. A CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S és a kén nélküli háromféle szén (CPTCDA, CPAN és CPAPN) kéntartalmú kompozitokat röntgendiffrakcióval (XRD), Raman-spektroszkópiával, Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (FTIR), röntgen fotoelektron-spektroszkópiával (XPS), pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) és transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM) jellemezték. Amint az SI Függelék S1 A-C ábráján látható, a szén három típusa (CPTCDA, CPAN és CPAPN) amorf szerkezetű. A kénnel történő kokarbonizálás után a CPAPN-S (1A. ábra) és a CPAN-S (SI Függelék, S1E ábra) még mindig amorf szerkezetűek a CPAPN és CPAN kénnel való jó bezártsága miatt, míg a CPTCDA-S (SI Függelék, S1D ábra) a kén kristályszerkezetét mutatja, ami azt mutatja, hogy a CPTCDA nem képes az összes ként bezárni, és a CPTCDA-S-ben még mindig van néhány gyűrűs szerkezetű S8. A CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S, CPAPN-S és a háromféle szén szerkezetének további elemzésére Raman- és FTIR-spektroszkópiát használtunk. Az 1350 cm-1 és 1580 cm-1 -nél lévő erős Raman-csúcsok (SI Függelék, S2 A-C ábra) a D-sávot (rendezetlen szén) és a G-sávot (grafitos szén) jelentik a szenesített PTCDA, PAN és PTCDA/PAN esetében. A CPAPN-S (1B ábra) és CPTCDA-S (SI függelék, S2D ábra) esetében két éles csúcs található 475 cm-1 és 930 cm-1 -nél, valamint egy kis csúcs 790 cm-1 -nél, amelyek S-S nyújtási módust, C-O rezgést, illetve C-S nyújtási módust képviselnek (49, 50). A két széles csúcs 310 cm-1-nél és 370 cm-1-nél az S-O rezgéseket jelöli (50). A CPTCDA, CPAN, CPAPN, CPTCDA-S és CPAN-S (SI függelék, S3 ábra) és CPAPN-S (1C ábra) FTIR-spektrumában a két erős csúcs 1240 cm-1-nél és 1510 cm-1-nél az alliciklusos láncrezgéseket, illetve az aromás gyűrűs láncrezgéseket jelöli, míg a kis csúcs ∼790 cm-1-nél (1C ábra) a CPAPN-S-ben a C-S rezgést képviseli. A CPAPN-S felületi szerkezetét XPS segítségével tovább jellemeztük (1. ábra D-F), ahol a grafitos szénnek megfelelő C 1s csúcsot 284,2 eV-nál (1D ábra) használtuk referencia kötési energiaként. A csúcsot illesztettük a különböző funkcionalitású szén kötési energiáinak bemutatására. Az 1E. ábrán látható N 1s spektrum azt mutatja, hogy a CPAPN-S kompozitban háromféle nitrogénkötés van, amelyeket a 397,8 eV-nál lévő piridin nitrogénhez, a 399,9 eV-nál lévő pirrolikus nitrogénhez és a 402,5 eV-nál lévő oxidált nitrogénhez rendelünk (51). A piridin- és pirrolnitrogén a karbonizált PAN-ból származik, míg az oxidált nitrogén a karbonizált PAN nitrogénje és a karbonizált PTCDA oxigénje közötti reakció terméke. Az 1F. ábrán látható S 2p spektrum azt mutatja, hogy a CPAPN-S kompozitban négyféle kén található, amelyek 161,1/162,3 eV-nál az aromás kénhez, 163,2/164,4 eV-nál az S-S és S-C csoportokban lévő kénhez, 164,8/166,0 eV-nál az S-O-C csoportban lévő kénhez és 167,2/168,4 eV-nál és 169,3/170,4 eV-nál az egyéb oxidált kénhez rendelhetők (52). A kis kénmolekulák in situ beszivárgása a karbonizált PTCDA-ba és PAN-ba különféle C-S és O-S kötéseket hoz létre a CPAPN-S kompozitban, ami növelheti a kéntartalmat és stabilizálhatja a kis kénmolekulákat a kompozitban. Az SSCC-k és a megfelelő szénatomok morfológiáját SEM-mel jellemezzük. Amint az 1G. ábrán és az SI Függelék S4. ábráján látható, a karbonizált PTCDA, PAN, valamint a PTCDA és PAN keveréke mikroméretű részecskékből áll, míg az SSCC-k részecskéi a kén és a szerves/polimer-származék szénhidrogének közötti reakció következtében nanoméretűre csökkennek. A CPAPN-S kompozit további jellemzésére TEM és elemi leképezéseket végeztünk. Amint az 1H ábrán és az SI függelék S5. ábráján látható, a nanoméretű CPAPN-S részecskék mikroszemcsékké aggregálódnak, és az oxigén, a nitrogén és a kén egyenletesen oszlik el a szénmátrixban, és egymáshoz kötődnek, ami erősen stabilizálja a ként. Amint azt a termogravimetriás (TG) elemzés az SI függelék S6. ábráján látható, a CPAPN-S kompozit 600 °C-on történő izzítás után csak 4%-os súlyveszteséget mutatott, míg az elemanalízis eredménye azt mutatja, hogy a kompozitban 60 tömegszázalék kén, 28 tömegszázalék szén, 2 tömegszázalék nitrogén és 8 tömegszázalék oxigén található. A CPAPN-S kéntartalmát a TEM elemi analízis is megerősíti (SI Függelék, S7. ábra). A kén és az oxigén/szén közötti kémiai kötés stabilizálja a kis kénmolekulákat és megakadályozza a kén elpárolgását. Az anyagjellemzések bizonyítják az S-O és S-C kémiai kötését a CPAPN-S kompozitban.