Resultaten
Drie soorten SSCC’s werden gesynthetiseerd door het mengsel van koolstofprecursors (zuurstofrijk PTCDA en stikstofrijk PAN) en zwavel in een afgesloten vacuümglasbuis te gloeien. Het zuurstofrijke PTCDA en het stikstofrijke PAN worden gebruikt als koolstofprecursoren om zuurstof en stikstof in de SSCC’s te brengen en zo de verkoolde PTCDA-PAN-S te produceren, die wordt aangeduid als CPAPN-S-composiet. De zuurstof in PTCDA vormt chemische bindingen met kleine zwavelmoleculen, terwijl de stikstof in PAN de zwavel stabiliseert door middel van lithiumionen na de eerste lithering, waardoor het zwavelgehalte en de benutting in de CPAPN-S-composiet worden verbeterd. Als controles werden CPTCDA-S en CPAN-S composieten gesynthetiseerd door alleen PTCDA of PAN als koolstof precursors te gebruiken, afzonderlijk. De CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S, en de drie soorten koolstof (CPTCDA, CPAN, en CPAPN) zonder zwavel werden gekarakteriseerd door röntgendiffractie (XRD), Raman spectroscopie, Fourier-transform infrarood spectroscopie (FTIR), röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS), scanning elektronenmicroscoop (SEM), en transmissie elektronenmicroscopie (TEM). Zoals aangegeven in SI Appendix, Fig. S1 A-C, vertonen drie typen carbonaten (CPTCDA, CPAN, en CPAPN) amorfe structuren. Na cocarbonisatie met zwavel, CPAPN-S (Fig. 1A) en CPAN-S (SI Bijlage, Fig. S1E) zijn nog steeds in amorfe structuur als gevolg van de goede opsluiting van CPAPN en CPAN aan zwavel, terwijl CPTCDA-S (SI Bijlage, Fig. S1D) toont de kristalstructuur van zwavel, waaruit blijkt dat CPTCDA is niet in staat om alle van de zwavel op te sluiten, en er zijn nog enkele ring-gestructureerde S8 in CPTCDA-S. Raman- en FTIR-spectroscopie werden gebruikt om de structuur van CPTCDA-S, CPAN-S, CPAPN-S, en de drie soorten koolstaven verder te analyseren. De sterke Raman-pieken (SI-bijlage, fig. S2 A-C) bij 1350 cm-1 en 1580 cm-1 vertegenwoordigen de D-band (ongeordende koolstof) en G-band (grafietkoolstof) van de gecarboniseerde PTCDA, PAN, en PTCDA/PAN. In CPAPN-S (Fig. 1B) en CPTCDA-S (SI Appendix, Fig. S2D) zijn er twee scherpe pieken bij 475 cm-1 en 930 cm-1 en één kleine piek bij 790 cm-1, die respectievelijk de S-S strekkingsmodus, de C-O trilling en de C-S strekkingsmodus voorstellen (49, 50). De twee brede pieken bij 310 cm-1 en 370 cm-1 staan voor de S-O trillingen (50). In FTIR-spectra voor CPTCDA, CPAN, CPAPN, CPTCDA-S, en CPAN-S (SI-bijlage, fig. S3) en CPAPN-S (fig. 1C) staan de twee sterke pieken bij 1.240 cm-1 en 1.510 cm-1 voor de alicyclische ketenvibraties en aromatische ringkettingvibraties, respectievelijk, terwijl de kleine piek bij ∼790 cm-1 (fig. 1C) de C-S-vibratie in CPAPN-S voorstelt. De oppervlaktestructuur van CPAPN-S is verder gekarakteriseerd met XPS in Fig. 1 D-F, waarbij de C 1s-piek bij 284,2 eV (Fig. 1D), die overeenkomt met grafietkoolstof, als referentiebindingsenergie is gebruikt. De piek is geschikt om de bindingsenergieën van de verschillende koolstoffunctionaliteiten weer te geven. Het N 1s spectrum in Fig. 1E toont aan dat er drie soorten stikstofbindingen zijn in de CPAPN-S composiet, die worden toegewezen aan pyridinische stikstof bij 397,8 eV, pyrrolische stikstof bij 399,9 eV, en geoxideerde stikstof bij 402,5 eV (51). De pyridinische en pyrrolische nitrogenen zijn afkomstig van de verkoolde PAN, terwijl de geoxideerde stikstof het product is van de reactie tussen stikstof in de verkoolde PAN en zuurstof in de verkoolde PTCDA. Het S 2p spectrum in Fig. 1F laat zien dat er vier soorten zwavel zijn in de CPAPN-S composiet, die worden toegewezen aan aromatische zwavel op 161.1/162.3 eV, zwavel in S-S en S-C groepen op 163.2/164.4 eV, zwavel in S-O-C groep op 164.8/166.0 eV, en de andere geoxideerde zwavel op 167.2/168.4 eV en 169.3/170.4 eV (52). De in situ infiltratie van kleine zwavelmoleculen in de gecarboniseerde PTCDA en PAN genereert een verscheidenheid aan C-S en O-S bindingen in de CPAPN-S composiet, die het zwavelgehalte zou kunnen verhogen en de kleine zwavelmoleculen in de composiet zou kunnen stabiliseren. De morfologie van de SSCCs en de corresponderende carbonaten is gekarakteriseerd met SEM. Zoals te zien is in Fig. 1G en SI Appendix, Fig. S4, bestaan de verkoolde PTCDA, PAN, en het mengsel van PTCDA en PAN uit microdeeltjes, terwijl de deeltjes van SSCCs afnemen tot nanoschaal als gevolg van de reactie tussen zwavel en organische/polymeer-afgeleide koolstoffen. TEM en elementaire mappings werden uitgevoerd om CPAPN-S composiet verder te karakteriseren. Zoals te zien in Fig. 1H en SI Appendix, Fig. S5, aggregeren nanodeeltjes CPAPN-S tot een microdeeltje, en de zuurstof, stikstof en zwavel zijn uniform verdeeld in de koolstofmatrix en zijn aan elkaar gebonden, wat zwavel sterk stabiliseert. Zoals aangetoond door de thermogravimetrische (TG) analyse in SI Appendix, Fig. S6, werd slechts 4% gewichtsverlies van CPAPN-S composiet waargenomen na gloeien tot 600 °C, terwijl het resultaat van de elementaire analyse aantoont dat er 60 wt % zwavel, 28 wt % koolstof, 2 wt % stikstof, en 8 wt % zuurstof in het composiet zit. Het gehalte aan zwavel in CPAPN-S wordt ook bevestigd door de elementaire TEM-analyse in SI Appendix, Fig. S7. De chemische binding tussen zwavel en zuurstof/koolstof stabiliseert de kleine zwavelmoleculen en voorkomt de verdamping van zwavel. De materiaalkarakteriseringen bewijzen de chemische binding van S-O en S-C in de CPAPN-S composiet.