NS共掺杂碳纳米片的制备和锂离子性能在ZnS纳米粒子中的适用性
锂离子电池 (LIB) 是电动汽车、便携式电子产品和可再生能源系统等一系列应用的关键储能技术。LIB 的高能量密度、长循环寿命和低自放电率使其成为优于其他电池技术的首选，碳基材料由于其高导电性、低成本和优异的化学稳定性而被广泛研究作为锂离子电池的负极。
然而，碳材料的低容量和倍率性能限制了它们在高能量密度锂离子电池中的实际应用。用氮和硫等杂原子掺杂碳已被证明可以改善碳材料的电化学性能。
NS 共掺杂碳纳米片的制备包括三个步骤：从废弃生物质中制备碳前驱体，蜂窝嵌入 ZnS 纳米粒子的合成，以及前驱体的碳化和活化。
碳前体由废生物质制备，特别是稻壳。稻壳先用蒸馏水洗去杂质，然后在80℃下干燥24小时。然后将干燥的稻壳研磨成细粉并过筛以获得尺寸小于75μm的颗粒。
然后将稻壳粉与尿素和硫脲在去离子水中的溶液以 1:2:2 的重量比混合。然后将混合物在室温下搅拌2小时以获得均匀浆液。
采用溶剂热法合成了蜂窝嵌入的 ZnS 纳米颗粒。在典型的合成中，将 0.1 g 乙酸锌二水合物在搅拌下溶解在 10 mL 乙二醇中。
然后，将0.2g硫脲加入溶液中，并将混合物搅拌30分钟，将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中并在 180°C 下加热 12 小时，将高压釜自然冷却至室温，所得产物用蒸馏水和乙醇洗涤数次并在60℃下干燥12小时。
然后将碳前体与嵌入蜂窝状的 ZnS 纳米粒子以 1:1 的重量比混合，并在管式炉中在氩气流下在 800°C 下加热 2 小时。
然后将所得产物用1M盐酸和去离子水洗涤以除去任何残留的杂质并在80℃下干燥24小时。
然后通过在管式炉中在氮气流下在 800°C 下加热 2 小时来活化碳前体。所得产物用去离子水洗涤并在80℃下干燥24小时。
使用扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 表征了 NS 共掺杂碳纳米片的形态和结构。
SEM 图像显示 NS 共掺杂碳纳米片具有多孔和褶皱的形态。TEM 图像显示，蜂窝状嵌入的 ZnS 纳米颗粒很好地分散在碳纳米片的表面上。
高分辨率 TEM (HRTEM) 图像显示了 ZnS 纳米粒子的晶格条纹，其 d 间距为 0.311 nm，对应于 ZnS 的 (111) 平面。
使用 X 射线光电子能谱 (XPS) 分析 NS 共掺杂碳纳米片的化学成分，XPS 调查光谱显示纳米片中存在碳、氮、硫和锌。
高分辨率 C 1s 光谱显示峰位于 284.8 eV 和 288.3 eV，分别对应于 sp2 杂化碳原子核 CN/CS 键。
高分辨率 N 1s 光谱显示峰值位于 398.5 eV 和 400.2 eV，分别对应于吡啶 N 和石墨 N。
高分辨率 S 2p 光谱显示峰值位于 163.7 eV 和 164.7 eV，分别对应于 SC 和 SN/CS 键，高分辨率 Zn 2p 光谱显示峰值位于 1021.8 eV 和 1044.6 eV，对应于 Zn-S 键。
评估了 NS 共掺杂碳纳米片作为 LIB 负极材料的电化学性能。以纳米片为活性物质，将纳米片与羧甲基纤维素（CMC）和炭黑按80:10:10的重量比混合制成浆料。
然后将浆料涂布到铜箔上并在80℃下干燥12小时。所得电极用作 CR2032 纽扣电池的阳极，锂金属箔作为对电极，1 M LiPF6 在碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯 (EC/DMC)（1:1 体积比）中的溶液作为电解质。
使用循环伏安法 (CV) 和恒电流充放电 (GCD) 测量评估 NS 共掺杂碳纳米片的电化学性能，NS 共掺杂碳纳米片的 CV 曲线显示在 0.2 V 左右的阴极峰，对应于锂离子还原为锂金属和固体电解质界面 (SEI) 层的形成。
1.0 V 左右的阳极峰对应于锂金属的氧化和锂离子嵌入碳基质中，CV曲线的形状表明NS共掺杂碳纳米片具有良好的锂离子存储容量和倍率性能。
NS共掺杂碳纳米片在不同电流密度下的GCD曲线表明纳米片具有高比容量和良好的倍率性能。
纳米片在100 mA g-1的电流密度下表现出885 mAh g-1的可逆容量，在10 A g-1的高电流密度下表现出529 mAh g-1的容量，表明优异的倍率性能，在所有电流密度下测量纳米片的库仑效率均高于 99%，表明其具有出色的循环稳定性。
NS 共掺杂碳纳米片的电化学性能改善可归因于几个因素，首先，NS共掺杂将杂原子引入碳基体中，增强了导电性并促进了锂离子存储位点的形成，XPS 结果表明，碳纳米片含有吡啶氮和石墨氮。
