NS共摻雜碳納米片的制備和锂離子性能在ZnS納米粒子中的适用性
锂離子電池 (LIB) 是電動汽車、便攜式電子産品和可再生能源系統等一系列應用的關鍵儲能技術。LIB 的高能量密度、長循環壽命和低自放電率使其成為優于其他電池技術的首選，碳基材料由于其高導電性、低成本和優異的化學穩定性而被廣泛研究作為锂離子電池的負極。
然而，碳材料的低容量和倍率性能限制了它們在高能量密度锂離子電池中的實際應用。用氮和硫等雜原子摻雜碳已被證明可以改善碳材料的電化學性能。
NS 共摻雜碳納米片的制備包括三個步驟：從廢棄生物質中制備碳前驅體，蜂窩嵌入 ZnS 納米粒子的合成，以及前驅體的碳化和活化。
碳前體由廢生物質制備，特别是稻殼。稻殼先用蒸餾水洗去雜質，然後在80℃下幹燥24小時。然後将幹燥的稻殼研磨成細粉并過篩以獲得尺寸小于75μm的顆粒。
然後将稻殼粉與尿素和硫脲在去離子水中的溶液以 1:2:2 的重量比混合。然後将混合物在室溫下攪拌2小時以獲得均勻漿液。
采用溶劑熱法合成了蜂窩嵌入的 ZnS 納米顆粒。在典型的合成中，将 0.1 g 乙酸鋅二水合物在攪拌下溶解在 10 mL 乙二醇中。
然後，将0.2g硫脲加入溶液中，并将混合物攪拌30分鐘，将所得溶液轉移到聚四氟乙烯内襯的高壓釜中并在 180°C 下加熱 12 小時，将高壓釜自然冷卻至室溫，所得産物用蒸餾水和乙醇洗滌數次并在60℃下幹燥12小時。
然後将碳前體與嵌入蜂窩狀的 ZnS 納米粒子以 1:1 的重量比混合，并在管式爐中在氩氣流下在 800°C 下加熱 2 小時。
然後将所得産物用1M鹽酸和去離子水洗滌以除去任何殘留的雜質并在80℃下幹燥24小時。
然後通過在管式爐中在氮氣流下在 800°C 下加熱 2 小時來活化碳前體。所得産物用去離子水洗滌并在80℃下幹燥24小時。
使用掃描電子顯微鏡 (SEM) 和透射電子顯微鏡 (TEM) 表征了 NS 共摻雜碳納米片的形态和結構。
SEM 圖像顯示 NS 共摻雜碳納米片具有多孔和褶皺的形态。TEM 圖像顯示，蜂窩狀嵌入的 ZnS 納米顆粒很好地分散在碳納米片的表面上。
高分辨率 TEM (HRTEM) 圖像顯示了 ZnS 納米粒子的晶格條紋，其 d 間距為 0.311 nm，對應于 ZnS 的 (111) 平面。
使用 X 射線光電子能譜 (XPS) 分析 NS 共摻雜碳納米片的化學成分，XPS 調查光譜顯示納米片中存在碳、氮、硫和鋅。
高分辨率 C 1s 光譜顯示峰位于 284.8 eV 和 288.3 eV，分别對應于 sp2 雜化碳原子核 CN/CS 鍵。
高分辨率 N 1s 光譜顯示峰值位于 398.5 eV 和 400.2 eV，分别對應于吡啶 N 和石墨 N。
高分辨率 S 2p 光譜顯示峰值位于 163.7 eV 和 164.7 eV，分别對應于 SC 和 SN/CS 鍵，高分辨率 Zn 2p 光譜顯示峰值位于 1021.8 eV 和 1044.6 eV，對應于 Zn-S 鍵。
評估了 NS 共摻雜碳納米片作為 LIB 負極材料的電化學性能。以納米片為活性物質，将納米片與羧甲基纖維素（CMC）和炭黑按80:10:10的重量比混合制成漿料。
然後将漿料塗布到銅箔上并在80℃下幹燥12小時。所得電極用作 CR2032 紐扣電池的陽極，锂金屬箔作為對電極，1 M LiPF6 在碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯 (EC/DMC)（1:1 體積比）中的溶液作為電解質。
使用循環伏安法 (CV) 和恒電流充放電 (GCD) 測量評估 NS 共摻雜碳納米片的電化學性能，NS 共摻雜碳納米片的 CV 曲線顯示在 0.2 V 左右的陰極峰，對應于锂離子還原為锂金屬和固體電解質界面 (SEI) 層的形成。
1.0 V 左右的陽極峰對應于锂金屬的氧化和锂離子嵌入碳基質中，CV曲線的形狀表明NS共摻雜碳納米片具有良好的锂離子存儲容量和倍率性能。
NS共摻雜碳納米片在不同電流密度下的GCD曲線表明納米片具有高比容量和良好的倍率性能。
納米片在100 mA g-1的電流密度下表現出885 mAh g-1的可逆容量，在10 A g-1的高電流密度下表現出529 mAh g-1的容量，表明優異的倍率性能，在所有電流密度下測量納米片的庫侖效率均高于 99%，表明其具有出色的循環穩定性。
NS 共摻雜碳納米片的電化學性能改善可歸因于幾個因素，首先，NS共摻雜将雜原子引入碳基體中，增強了導電性并促進了锂離子存儲位點的形成，XPS 結果表明，碳納米片含有吡啶氮和石墨氮。
