掺杂对多孔碳的影响

氮（N）掺杂多孔碳N掺杂的主要目的是操纵材料的电带结构，特别是费米级、带隙和电荷分布。另一方面，表面掺杂旨在改变多孔碳的表面特性，包括基本特性、结合强度和润湿能力。在掺杂杂原子的石墨烯中，由于二维结构中的核心掺杂和表面掺杂之间没有明显的界限，因此二者之间的区别变得非常明显。同样，N 在元素周期表中位于 C 的后面，可以与碳建立永久的共价联系。硼（B）掺杂的多孔碳硼原子最外层外壳的电子构型为 2s22p1，与氮元素有相似之处，因为这两种元素都属于元素周期表的第二行。与 N 相比，B 的电子构型具有相反的结构。元素 B 的价团中只有三个电子，可以形成三个共价键。因此，它最多可容纳六个电子。由于缺乏电子，B 元素一直在寻求获得另外两个电子，以建立稳定的四配位键，这通常被称为集合体。这种行为在大多数路易斯碱中都可以看到。无论何时将 B 作为掺杂剂掺入C中，所产生的结构在采用平面结构时都会表现出最大的稳定性。这种排列通常被称为面内掺杂。在平面内掺杂的情况下，掺入B可通过形成BC3化合物有效地保持碳体系的 sp2 杂化，从而融入现有的 π 网络。掺杂 B 可能提高外层的亲水性和润湿性，从而改善电解质离子的吸收和与碳基电极表面的结合以及可以增强电容。

硫（S）掺杂多孔碳与 N 和 B 元素相比，电负性为 2.58 的 S 原子的电负性与电负性为 2.55 的 C 原子相当。这种相似性表明，S 原子和 C 原子间形成的共价键基本上是非极化的。理论计算表明，将 S 原子以数学方式引入石墨碳中可打开材料的带隙。S 掺杂（n 型掺杂剂）还能增加碳的极化，带电时还能增强碳的电子导电性，因此 S 掺杂碳适合用作电池的阳极。磷（P）掺杂多孔碳磷在元素周期表中被归为第 V 族元素，其连接壳电子结构与 N 相似。然而，P 原子尺寸的大幅增加和未占用 3d 轨道的存在使掺杂 P 的碳具有与众不同的特性。例如，与 C-C 的成键长度相比，P-C 的成键长度大约延长了 24%，从而导致C的功能结构发生重大变化。此外，电负性的略微降低还有利于 P 原子和 C 原子粒子之间的电荷转移。共掺杂对多孔碳的影响每种杂原子都有其独特的特性，可用于提高某些用途的多孔碳的性能。共掺杂过程包括在碳体系中引入两个不同的杂原子，从而产生潜在的基本相互作用。然而，与单杂原子掺杂研究相比，多孔碳领域的共掺杂研究非常有限。这主要是由于共掺杂的性质复杂。掺杂 N 和 B 的碳已被用于催化和储能等多个领域。引入 N 或 B 可有效改变C的电子特性。B、C 和 N 的原子尺寸相当，可成功缓解结构变形。然而，B 和 N 不同的电子特性会产生明显的电子现象