Особенности измерения температурных зависимостей электрического сопротивления углеродных материалов, полученных термолизом смесей фенолфталеина с меламином
Аннотация
Углеродные материалы с высоким содержанием азота перспективны для современной электроники. Для получения подобных материалов как источник азота удобно использовать меламин, так как при его термическом разложении образуется значительное количество азотсодержащих групп, которые могут быть встроены в структуру углеродного материала. Изучение температурных зависимостей сопротивления полученных материалов позволило установить влияние атомов азота на зонную структуру образцов. В статье описан способ получения однофазных азотсодержащих твердых растворов на основе аморфного углерода путем термолиза расплавленных смесей меламина с фенолфталеином при их нагревании до 500 °С. Такой способ синтеза позволил достичь содержания азота 21 мас. %. Приведены результаты исследования новых материалов методом рентгенофазового анализа, подтверждающие хаотичное строение твердых растворов и отсутствие дальнего порядка в расположении атомов углерода или азота. Морфология полученных образцов с различной концентрацией фенолфталеина изменяется от слабосвязанных порошков до твердой пены. Сложность измерения температурных зависимостей удельного сопротивления связана с невозможностью приготовления стандартных прямоугольных образцов. Для измерения температурных зависимостей сопротивления проводилось измельчение образцов до порошка заданного гранулометрического состава, а также была сконструирована вакуумная измерительная ячейка и отработана методика проведения измерений в диапазоне 30–300 °С. В работе описана экспериментальная установка и способ подготовки образцов, а также приведены результаты измерений образцов твердых растворов азота в аморфном углероде с высоким содержанием азота. Показано монотонное снижение ширины запрещенной зоны твердых растворов от 1,07 до 0,61 эВ с ростом содержания в них азота.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Yanzhen He, Xijiang Han, Yunchen Du, Bin Zhang, Ping Xu Heteroatom-Doped Carbon Nanostructures Derived from Conjugated Polymers for Energy Applications. Polymers (Basel, Switz.), 2016, v. 8 (10), pp. 366. DOI: 10.3390/polym8100366.
Li-Na Han, Xiao Wei, Qian-Cheng Zhu, Shu-Mao Xu, Kai-Xue Wang, Jie-Sheng Chen Nitrogen-Doped Carbon Nets With Micro/Mesoporous Structures as Electrodes for High-Performance Supercapacitors. J. Mater. Chem. A, 2016, v. 4, pp. 16698-16705. DOI: 10.1039/C6TA05607E.
Xiaojiao Wei, Hao Gou, Zunli Mo, Ruibin Guo, Rere Hu, Yawen Wang Hierarchically Structured Nitrogen-Doped Carbon for Advanced Supercapacitor Electrode Materials. Ionics, 2016, v. 22(7), pp. 1197–1207. DOI: 10.1007/s11581-016-1635-z.
Bing Li, Fang Dai, Qiangfeng Xiao, Li Yang, Jingmei Shen, Cunman Zhang, Mei Cai Nitrogen-Doped Activated Carbon for a High Energy Hybrid Supercapacitor. Energy Environ. Sci, 2016, v. 9, pp. 102–106. DOI: 10.1039/c5ee03149d.
Rui-Lun Xie, Zhi-Min Zong, Fang-Jing Liu, Yu-Gao Wang, Hui-Long Yan, Zhe-Hao Wei, Mohannad Mayyas, Xian-Yong Wei Nitrogen-Doped Porous Carbon Foams Prepared From Mesophase Pitch Through Graphitic Carbon Nitride Nanosheet Templates. RSC Adv, 2015, v. 5 (57), pp. 45718–45724. DOI: 10.1039/C4RA14513E.
Hien Ngoc Thi Lе, Hae Kyung JEONG Synthesis and Characterization of Nitrogen-doped Activated Carbon by Using Melamine. New Physics: Sae Mulli, 2015, v. 65(1), pp. 86–89. DOI: 10.3938/NPSM.65.86.
Marcus Einert, Claas Wessel, Felix Badaczewski, Thomas Leichtweiß, Christine Eufinger, Jürgen Janek, Jiayin Yuan, Markus Antonietti, Bernd M. Smarsly Nitrogen-Doped Carbon Electrodes: Influence of Microstructure and Nitrogen Configuration on the Electrical Conductivity of Carbonized Polyacrylonitrile and Poly(ionic liquid) Blends. Macromol. Chem. Phys, 2015, v. 216(19), pp. 1930–1944. DOI: 10.1002/macp.201500169.
Kwang Hoon Lee, Jinwoo Oh, Jeong Gon Son, Heesuk Kim, Sang-Soo Lee Nitrogen-Doped Graphene Nanosheets from Bulk Graphite using Microwave Irradiation. Appl. Mater. Interfaces, 2014, v. 6(9), pp. 6361–6368. DOI: 10.1021/am405735c.
Bin Xu, Hui Duan, Mo Chu, Gaoping Cao, Yusheng Yang Facile Synthesis of Nitrogen-Doped Porous Carbon for Supercapacitors. J. Mater. Chem. A, 2013, v. 1, pp. 4565–4570. DOI: 10.1039/C3TA01637D.
Leiyu Feng, Lanqin Yang, Zujing Huang, Jingyang Luo, Mu Li, Dongbo Wang, Yinguang Chen Enhancing Electrocatalytic Oxygen Reduction on Nitrogen-Doped Graphene by Active Sites Implantation. Sci. Rep, 2013. v. 3, pp. 3306. DOI:10.1038/srep03306.
Tim-Patrick Fellinger, Frédéric Hasché, Peter Strasser, Markus Antonietti Mesoporous Nitrogen-Doped Carbon for the Electrocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide. J. Am. Chem. Soc, 2012, v. 134(9), pp. 4072–4075. DOI: 10.1021/ja300038p.
Yuanfu Deng, Ye Xie, Kaixiang Zou, Xiulei Ji Review on Recent Advances in Nitrogen-Doped Carbons: Preparations and Applications in Supercapacitors. J. Mater. Chem. A, 2016, v. 4(4), pp. 1144–1173. DOI: 10.1039/C5TA08620E.
Honória F. Gorgulho, Filomena Gonçalves, Manuel Fernando R. Pereira, José L. Figueiredo. Synthesis and Characterization of Nitrogen-Doped Carbon Xerogels. Carbon, 2009, v. 48(8), pp. 2032–2039. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.03.050.
Kim Jeong-Nam, Choi Min-Kee, Ryoo Ryong Synthesis of Mesoporous Carbons with Controllable N-Content and Their Supercapacitor Properties. Bull. Korean Chem. Soc, 2008, v. 29(2), pp. 413–416. DOI: 10.5012/bkcs.2008.29.2.413.
Min-Sang Lee, Mira Park, Hak Yong Kim, Soo-Jin Park Effects of Microporosity and Surface Chemistry on Separation Performances of N-Containing Pitch-Based Activated Carbons for CO2/N2 Binary Mixture. Sci. Rep., 2016. v. 6, pp. 23224. DOI: 10.1038/srep23224.
Villalpando-Páez F., Romero A.H., Muñoz-Sandoval E., Martı L.M., Terronesa H., Terronesab M. Fabrication of Vapor and Gas Sensors Using Films of Aligned CNx Nanotubes. Chem. Phys. Lett, 2004, v. 386 (1-3), pp. 137–143. DOI: 10.1016/j.cplett.2004.01.052.
Tapsoba I., Bourhis S., Feng T., Pontié M. Sensitive and Selective Electrochemical Analysis of Methyl‐parathion (MPT) and 4‐Nitrophenol (PNP) by a New Type p‐NiTSPc/p‐PPD Coated Carbon Fiber Microelectrode (CFME). Electroanalysis, 2009, v. 21 (10), pp. 1167–1176. DOI: 10.1002/elan.200804529.
Quang Trong Nguyen, Karine Glinel, Maxime Pontié, Zhenghua Pingc Immobilization of Bio-Macromolecules onto Membranes Via an Adsorbed Nanolayer: An Insight into the Mechanism. Journal of Membrane Science, 2004, v. 232 (1-2), pp. 123–132. DOI: 10.1016/j.memsci.2003.12.005.
Krishna P. Prathish, Madalina M. Barsan, Dongsheng Geng, Xueliang Sun, Christopher M.A. Brett. Chemically Modified Graphene and Nitrogen-Doped Graphene: Electrochemical Characterisation and Sensing Applications. Electrochimica Acta, 2013, v. 114, pp. 533–542. DOI: 10.1016/j.electacta.2013.10.080.
Zherebtsov D.A., Smolyakova K.R., Yantsen R.F., Morozov R.S., Zhivulin D.E., Zhivulin V.E., Eremyashev V.E., Vinnik D.A., Bartashevich E.V., Avdin V.V., Samodurova M.N., Hua-ShuHsu, Feng-Wei Guo, Zakharchuk I.A., Erkki Lahderanta, Maxime Pontie. Anomalous Resistivity of Heavily Nitrogen-Doped Graphitic Carbon. Diamond Relat. Mater, 2018, v. 83, pp. 75–79. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.01.026.
Zherebtsov D.A., Pankratov D.A., Dvoryak S.V., Zhivulin D.E., Eremyashev V.E., Yantsen R.F., Zhivulin V.E., Smolyakova K.R., Lebedeva S.M., Avdin V.V., Viktorov V.V., Sakthi Dharan C.P., Rajakumar K., Radionova L.V. Key Role of Nitrogen in Conductivity of Carbon-Nitrogen Materials. Diamond Relat. Mater, 2020 (in Press). DOI. 10.1016/j.diamond.2020.108183.
Pierson H.O. Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerene: Properties, Processing and Applications: Properties, Processing and Applications. New Jersey: Noyes Publications, 1993, ISBN: 9780815513391.
Cao S., Low J., Yu J., Jaroniec M. Polymeric Photocatalysts Based on Graphitic Carbon Nitride. Adv. Mater, 2015, v. 27 (13), pp. 2150–2176. DOI: 10.1002/adma.201500033.
Топчиев А.В. Органические полупроводники. М.: АН СССР, 1963. 18 c. [Topchiev A.V. Organicheskie poluprovodniki [Organic Semiconductors]. Moscow, AN SSSR, 1963, 18 p.]
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.