《Diamond and Related Materials》：Boron and nitrogen concentration profiling in boron carbon nitride: Implications for electrochemical sensing
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二維硼碳氮（BCN）材料通過(guò)調(diào)控硼與氮原子比例，優(yōu)化電極形貌和催化活性，實(shí)現(xiàn)醋氨酚檢測(cè)限低至1.41 nM，較常規(guī)材料靈敏度提升十倍。研究提出電化學(xué)粗糙因子（fr）和擴(kuò)散層厚度（l）分析框架，區(qū)分材料表面形貌與內(nèi)在電催化性能，證實(shí)過(guò)量硼原子形成孔隙結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)表面活性，同時(shí)驗(yàn)證BCN在真實(shí)水體檢測(cè)中的實(shí)用性。
Dani George | R. Shwetharani | Bhakti Kulkarni R. Geetha Balakrishna
納米與材料科學(xué)中心，Jain全球校區(qū)，Jain（被認(rèn)定為）大學(xué)，Jakkasandra郵編，Ramanagara縣，562112，印度
摘要
二維碳氮化硼（BCN）最近作為一種高效的電活性和光活性材料而受到關(guān)注，使其適用于各種應(yīng)用，如傳感器、超級(jí)電容器、電池、太陽(yáng)能電池和氫氣生成。本研究通過(guò)戰(zhàn)略性地調(diào)整硼和氮的原子比例來(lái)探索BCN的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并評(píng)估其對(duì)電化學(xué)活性的影響。硼在碳化過(guò)程中的參與增強(qiáng)了材料的孔隙率，而較高的氮含量則促進(jìn)了層狀納米片結(jié)構(gòu)的形成。大多數(shù)化學(xué)計(jì)量比都產(chǎn)生了石墨狀納米片。BCN中過(guò)量的硼引入了路易斯酸性，從而促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移，使得其電化學(xué)電流比裸露的玻璃碳電極（GCE）提高了十倍。本研究重點(diǎn)關(guān)注對(duì)對(duì)乙酰氨基酚的電化學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)含有過(guò)量硼的BCN的檢測(cè)限為1.41 nM，是含有過(guò)量氮的BCN的兩倍敏感度，這是早期研究未涉及的方面。我們引入了電化學(xué)粗糙度因子（fr）和擴(kuò)散層厚度（l）的分析，以區(qū)分由電極形態(tài)（孔隙率和表面積）引起的改進(jìn)和由內(nèi)在電催化活性引起的改進(jìn)。這為評(píng)估多孔BCN電極提供了一個(gè)新的框架。該材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾性能。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在原子水平上調(diào)節(jié)硼和氮的重要性，以實(shí)現(xiàn)所需的形態(tài)和電子結(jié)構(gòu)，從而拓寬了BCN的應(yīng)用潛力。此外，使用河水進(jìn)行的實(shí)際測(cè)試證實(shí)了該電化學(xué)設(shè)備在環(huán)境分析中的實(shí)用價(jià)值。
引言
具有巨大潛力的二維材料石墨烯的出現(xiàn)激發(fā)了人們對(duì)類似物質(zhì)（如氮化硼（BN）、碳化硼（B4C）、Graphyne、MXenes和過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDs）[1], [2]）的研究。二維非金屬石墨狀碳氮化硼（g-C3N4）和六方氮化硼（h-BN）由于具有與石墨烯相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及較大的表面積、柔韌性和半導(dǎo)電性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是可行的替代品。g-C3N4被歸類為一種聚合物，由三s-三嗪?jiǎn)卧獦?gòu)成；而h-BN則由交替排列的硼（B）和氮（N）原子組成，如圖1所示。然而，g-C3N4的低電荷遷移率、脆弱的晶體結(jié)構(gòu)、有限的水溶性和有機(jī)分散性以及表面缺陷限制了其廣泛應(yīng)用[3]。相比之下，h-BN由于其高度絕緣性和較差的吸附性能而面臨挑戰(zhàn)。另一方面，碳氮化硼（BCN）雖然幾十年前就被發(fā)現(xiàn)，但由于其優(yōu)異的電子導(dǎo)電性，最近重新成為一種有前景的半導(dǎo)體材料。它可以被視為一種三元B-C-N復(fù)合材料，其性質(zhì)介于導(dǎo)電的石墨烯和絕緣的BN之間[4], [5]，并在傳感器、電催化、超級(jí)電容器和導(dǎo)電體等應(yīng)用中顯示出潛力[6], [7]。
BCN中的原子序列和化學(xué)環(huán)境受到合成條件（如溫度和元素比例）的顯著影響。BCN可以分為簡(jiǎn)單類型（BN和石墨烯結(jié)構(gòu)）或復(fù)雜類型（含有多種N
BCN的混合性質(zhì)結(jié)合了氮化硼（BN）和類石墨烯碳的特性，使其在多種電化學(xué)過(guò)程中具有廣泛應(yīng)用潛力，包括能量存儲(chǔ)、電催化和傳感。最近的理論計(jì)算研究表明，BCN與石墨烯和BN相比具有更好的雜原子結(jié)合能力[12]。特別是富含碳的BCN結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)的電荷遷移率，使其成為超級(jí)電容器和電池等能量存儲(chǔ)設(shè)備的理想選擇。BCN的化學(xué)穩(wěn)定性使其能夠抵抗惡劣條件，而摻雜硼和氮可以引入活性位點(diǎn)，從而提高電催化性能，尤其是在氧氣還原和氫氣生成反應(yīng)中。此外，研究人員還將BN CQD摻雜到g-C3N4基質(zhì)中，并將其工程化為癌癥生物標(biāo)志物的功能接口[13]。同樣，將硼摻雜到g-C3N4中也被報(bào)道為有效檢測(cè)水中微污染物的電化學(xué)接口[14]。合成技術(shù)的進(jìn)步使得BCN納米片和納米管的制備成為可能，進(jìn)一步優(yōu)化了它們的電化學(xué)性能，盡管在精確控制原子比例和形態(tài)方面仍存在挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究應(yīng)專注于精細(xì)調(diào)節(jié)元素濃度，以充分發(fā)揮BCN在電催化應(yīng)用中的潛力。
本研究重點(diǎn)關(guān)注在合成過(guò)程中改變硼和氮的原子濃度及其對(duì)材料性能和電化學(xué)活性的影響。通過(guò)對(duì)對(duì)乙酰氨基酚（AMP）的電化學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)含有過(guò)量硼的BCN-2由于多余的硼原子而具有更多的空穴，從而表現(xiàn)出比氧化石墨烯（GO）或還原GO更好的電化學(xué)活性，并且比裸露的GCE提高了十倍。
我們還表明，在比較當(dāng)前研究中使用的多孔電極材料的明顯電催化效果時(shí)，需要考慮電極的孔隙率這一重要因素。換句話說(shuō)，從多孔電極數(shù)據(jù)中提取的動(dòng)力學(xué)常數(shù)不僅取決于電極材料本身的表面性質(zhì)（即功能化和缺陷情況），還取決于電極的形態(tài)。因此，對(duì)于給定的催化劑負(fù)載量，電極的性能取決于其孔隙率和比表面積。例如，通過(guò)電化學(xué)沉積形成的多孔電極的粗糙度因子可能高達(dá)1000[15], [16], [17]。這種表面粗糙度的估計(jì)依賴于表面結(jié)合物種的定量伏安法[18], [19]。因此，為了避免快速[Fe(CN)6]3?/4氧化還原探針和本研究使用的高孔隙率電極材料的復(fù)雜性，我們確定了額外的參數(shù)，如電化學(xué)粗糙度（fr）、擴(kuò)散層厚度（l）、峰對(duì)峰值分離?Ep和電化學(xué)活性表面積（EASA），以將其與所實(shí)現(xiàn)的電化學(xué)性能相關(guān)聯(lián)。
部分摘錄
碳氮化硼（BCN）的合成
BCN納米片是通過(guò)早期報(bào)道的熱解法合成的[20]。簡(jiǎn)而言之，分別使用硼酸、檸檬酸和三聚氰胺作為B、C和N的來(lái)源。為了有效合成BCN-1，測(cè)量了不同的B、C和N原子比例，并將前驅(qū)體在研缽中機(jī)械研磨以實(shí)現(xiàn)均勻分布。隨后將材料加熱至550°C，升溫速率為3°C/min，并在連續(xù)通氮?dú)獾臈l件下保持該溫度4小時(shí)
材料表征
圖S1顯示了合成材料BCN-1、BCN-2、BCN-3、BCN-4和BCN-5的XRD圖譜。26°和41°處的2θ峰（與JCPDS卡片編號(hào)35-1292一致），分別代表（002）和（100）平面，顯示出所有BCN組成的晶格間距分別為0.34 nm和0.21 nm[21]。強(qiáng)烈的（002）衍射峰證實(shí)了BCN的層狀石墨結(jié)構(gòu)。未檢測(cè)到其他峰，表明BCN為純相。BCN常被稱為一種混合材料
結(jié)論
總結(jié)來(lái)說(shuō)，通過(guò)熱解法成功制備了一組類似片狀的BCN電催化劑。XRD和FT-IR分析確認(rèn)了所有BCN電催化劑的六方相。XPS分析顯示BCN-2中含有額外的B
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C
C
C和B< />
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Dani George：撰寫(xiě)——原始草稿、軟件、資源、實(shí)驗(yàn)研究。R. Shwetharani：撰寫(xiě)——審閱與編輯。Bhakti Kulkarni R. Geetha Balakrishna：正式分析。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者感謝Jain（被認(rèn)定為）大學(xué)提供的基礎(chǔ)設(shè)施和財(cái)務(wù)支持。
