Stability and Core-Level Signature of Nitrogen Dopants in Carbonaceous Materials

X射线光电子能谱 掺杂剂 结合能 氮气 碳纤维 兴奋剂 化学 材料科学 无机化学 化学工程 有机化学 原子物理学 物理 光电子学 工程类 复合材料 复合数
作者
Ziqi Tian,Sheng Dai,De‐en Jiang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:27 (16): 5775-5781 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b02370
摘要

Nitrogen doping is an important strategy in tuning the properties and functions of carbonaceous materials. But the chemical speciation of the nitrogen groups in the sp2-carbon framework has not been firmly established. Here we address two important questions in nitrogen doping of carbonaceous materials from a computational approach: the relative stability of different nitrogen groups and their X-ray photoelectron spectrum (XPS) signatures of the core-level (N 1s) electron binding energies. Four types of nitrogen groups (graphitic, pyrrolic, aza-pyrrolic, and pyridinic) in 69 model compounds have been examined. Computed formation energies indicate that pyrrolic and pyridinic nitrogens are significantly more stable (by about 110 kJ/mol) than graphitic and aza-pyrrolic nitrogens. This stability trend can be understood from the Clar's sextet rule. Predicted N 1s binding energies show relatively high consistency among each dopant type, thereby offering a guide to identify nitrogen groups. The relative stability coupled with predicted N 1s binding energies can explain the temperature-dependent change in the experimental XPS spectra. The present work therefore provides fundamental insights into nitrogen dopants in carbonaceous materials, which will be useful in understanding the applications of nitrogen-doped carbons in electric energy storage, electrocatalysis, and carbon capture.
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