TiO2-Nanomembranen, hergestellt durch Atomlagenabscheidung für Superkondensatorelektroden mit erhöhter Kapazität

Einführung

Mit der Entwicklung der Energiespeichertechnologie [1] haben Superkondensatoren aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, schnellen Lade-Entlade-Rate und ihrer guten Zyklenleistung große Aufmerksamkeit erregt [2,3,4]. Pseudokondensatoren sind eine wichtige Klasse von Superkondensatoren, die im Vergleich zu elektrochemischen Superkondensatoren eine attraktive hohe Kapazität und Energiedichte liefern können [5,6,7]. In den letzten Jahrzehnten haben die Übergangsmetalloxide (z. B. RuO₂ [8], MoO₂ [9], MnO₂ [10], Ni/NiO [11], Co₃ O₄ [12] und TiO₂ [13]) und Hydroxide [14,15,16] wurden aufgrund geringer Kosten, geringer Toxizität, mehrerer Oxidationsstufen [17] und großer Flexibilität in Struktur und Morphologie als klassische Elektrodenmaterialien für Pseudokondensatoren verwendet. Ihre thermische Instabilität, Verunreinigungsdefekte und Geschwindigkeitsfähigkeit werden jedoch normalerweise durch die unzureichende Leitfähigkeit begrenzt, um einen schnellen Elektronentransport zu unterstützen, der bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich ist. Um diese Probleme zu lösen, wird niedrigdimensionales TiO₂ als vielversprechende Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren [18,19,20,21,22]. Insbesondere 2D-Nanomembran(NM)-Strukturen mit hervorragender Flexibilität sollten unserer Meinung nach großes Potenzial für Elektrodenanwendungen haben. Die Dickenkontrolle der Nanomembran ist daher entscheidend für die Herstellung funktioneller Geräte in einer wohldefinierten Nanowelt [23]. Darüber hinaus ist die großtechnische Herstellung nanoskaliger Materialien auch für praktische Anwendungen entscheidend [24]. Es sei darauf hingewiesen, dass die Atomlagenabscheidung (ALD) eine faszinierende Technik ist, die verwendet wird, um Nanovorrichtungen zu konstruieren [25, 26]. Diese leistungsstarke Technik kann dünne Filme Schicht für Schicht mit genauer Dickensteuerung abscheiden und 3D-Strukturen mit hohem Aspektverhältnis konform abdecken [27,28,29,30] und die Produktivität kann somit stark verbessert werden. In der aktuellen Arbeit präsentieren wir die Herstellung von 2D TiO₂ NMs mit unterschiedlichen Dicken durch ALD auf einem porösen 3D-Polymer-Templat mit großer Oberfläche [31, 32]. Die mikrostrukturelle Charakterisierung zeigt, dass die Kristallstruktur von NM eine Mischung aus Anatas- und Rutilphasen ist. Elektrochemische Charakterisierungen zeigen, dass die ultradünnen und flexiblen NMs aufgrund der großen Oberfläche und der Interkonnektivität zwischen den NMs eine verbesserte Leistung aufweisen. Der verbesserte Ionentransport verursacht eine Faradaysche Reaktion sowohl auf der Oberfläche als auch in der Masse [33], was zu einer erhöhten Kapazität und Energiedichte führt.

Methoden

Herstellung von TiO₂ NM

TiO₂ NMs mit verschiedenen Dicken (100, 200 und 400 ALD-Zyklen) wurden mithilfe der ALD-Technik auf einem kommerziell erhältlichen Polyurethanschwamm abgeschieden. Als Vorstufen wurden in Gegenwart von Stickstoff (N₂ .) Tetrakis-Dimethylamid-Titan (TDMAT) und entionisiertes (DI) Wasser verwendet ) Gas, das sowohl als Träger- als auch als Spülgas diente. Die Flussrate des Trägergases betrug 20 sccm. Eine typische ALD-Sequenz umfasst TDMAT-Puls (200 ms), N₂ Spülung (20.000 ms), H₂ O-Puls (20 ms) und N₂ purge (30.000 µms). Die verwendeten Vorläufer wurden von J&K Scientific Ltd., China bezogen. Die Vorstufe bedeckte den dreidimensional porösen Schwamm konform, was aufgrund der großen Oberfläche des Templats zu einer erhöhten Produktivität führte [34]. Das TiO₂ -beschichtete Schwämme wurden bei 500 °C für 4 h in einem O₂ . kalziniert Fluss von 400 ml/min, und die Matrize wurde vollständig entfernt. Das resultierende TiO₂ NMs wurden zerkleinert und in Ethanol, Salzsäure (HCl) und DI-Wasser gereinigt.

Vorbereitung der Elektrode

Um Hochleistungs-Superkondensatoren herzustellen, wird TiO₂ Als Aktivmaterial wurden NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen und als Bindemittel Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Der Inhalt von TiO₂ NMs und Bindemittel betrugen 90 Gew.-% bzw. 10 Gew.-%. Ein homogenes TiO₂ Die NMs-Aufschlämmung wurde durch Mischen der NMs und des Bindemittels mit einer kleinen Menge Ethanol erhalten und ein Mahlprozess wurde durchgeführt. Die hergestellte einheitliche Aufschlämmung wurde auf den gereinigten Nickelschaum aufgetragen und dann wurde die Probe bei 60 °C für 2 h im Vakuum entgast. Um die Elektrodenherstellung abzuschließen, wurde die Probe unter einem Druck von 10  MPa gepreßt. Das präparierte TiO₂ Die NMs-Elektrode wurde 12 h in 1 M KOH-Lösung getränkt, um die Elektrode zu aktivieren. Die Beladungsdichten der aktiven Materialien betrugen etwa ~ 1,5 mg cm ⁻² für alle Elektroden. Die Masse des TiO₂ NMs auf Nickelschaum wurden durch Berechnung der Massendifferenz zwischen Elektrode und Nickelschaum erhalten [35].

Mikrostrukturelle Charakterisierung

Die kristallographische Struktur des TiO₂ NMs wurden durch Röntgenbeugungstechnik (XRD) untersucht. Die XRD-Muster wurden unter Verwendung eines Bruker D8A Advanced XRD mit Cu Kα-Strahlung (λ = 1,5405 Å). Die Morphologie von TiO₂ NMs wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, Zeiss Sigma) untersucht. Die Raman-Spektren der Proben wurden auf einem Horiba Scientific Raman-Spektrometer (λ = 514 nm). Die Elementaranalyse und der chemische Zustand des TiO₂ NMs wurden unter Verwendung eines PHI 5000C EACA-Röntgen-Photoelektronen-Spektroskops (XPS) mit einem C 1s-Peak bei 284,6  eV als Standardsignal erhalten. Für die Oberflächentopographie von TiO₂ . wurde Rasterkraftmikroskopie (AFM, Dimension Edge, Bruker, USA) mit Tapping-Modus verwendet NMs.

Elektrochemische Charakterisierung

Drei- Elektrodensystem wurde verwendet, um die elektrochemischen Eigenschaften des TiO₂ . zu untersuchen NMs-Arbeitselektrode, bei der Ag/AgCl und Platinfolie als Referenzelektrode bzw. Gegenelektrode dienten. Die Messungen der zyklischen Voltammetrie (CV), Chronopotentiometrie (CP) und elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurden auf einer elektrochemischen Workstation Chenhua CHI 660E bei 25 °C in 1 µM wässriger KOH-Lösung durchgeführt. EIS-Ergebnisse wurden über den Frequenzbereich von 100 KHz bis 1 Hz mit einer Amplitude von 5 mV erhalten. Die Berechnungsmethoden für spezifische Kapazitäten und Energie-/Leistungsdichten sind in Zusatzdatei 1 beschrieben.

Ergebnisse und Diskussion

Die Herstellung von TiO₂ NMs ist in Abb. 1a gezeigt. Der TDMAT und H₂ O wurden als ALD-Vorläufer verwendet, um TiO₂ . abzuscheiden auf Polyurethanschwammschablone. Die Reaktion lässt sich in zwei Halbgleichungen wie folgt beschreiben:[36]

Herstellungsprozess und Morphologien von TiO₂ NMs mit unterschiedlichen Dicken. a Skizze dargestellter Herstellungsprozess von TiO₂ NMs. b –d REM-Aufnahmen von TiO₂ NMs mit 100, 200 bzw. 400 ALD-Zyklen. Maßstabsbalken in Einsätzen sind 1 μm

Die Gesamtreaktion kann geschrieben werden als:

Der Schwamm mit TiO₂ NM-beschichtet wurde dann auf hohe Temperatur erhitzt. Während der Kalzinierung bei 500°C unter Sauerstoffatmosphäre wurde das Polymertemplat in CO₂ . umgewandelt und hinterließ die poröse 3D-NM-Struktur [34]. Das Zerkleinern dieser porösen 3D-Struktur führte zur Herstellung einer pulverartigen Struktur in Weiß (Abb. 1a). Die Morphologien von TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen wurden weiter durch SEM beobachtet und sind in Abb. 1b–d dargestellt. Wir haben festgestellt, dass die lateralen Größen der NMs mit unterschiedlichen ALD-Zyklen typischerweise etwa zehn Mikrometer betragen. Die Dicke von TiO₂ Die in dieser Arbeit hergestellten NM wurden mit der AFM-Technik untersucht und die Ergebnisse sind in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 dargestellt. Die durchschnittliche Dicke von TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen sind ~ 15, 34 bzw. 71 nm. Mit der Zunahme der ALD-Zyklen wird TiO₂ NMs wird in ein dickeres und steiferes Blech umgewandelt. Die entsprechenden Einschübe in Abb. 1b–d zeigen, dass die Dicke der NMs einheitlich ist und einige kleine Falten die Flexibilität von TiO₂ . darstellen NM besonders in den dünneren Fällen. Die durch ALD abgeschiedenen NMs können die Morphologie des ursprünglichen Substrats (d. h. Schwamm) replizieren, und daher können einige unregelmäßige Oberflächenstrukturen in den Einfügungen von Abb. 1c und d vom Templat oder vom Kalzinierungsprozess stammen [37]. Normalerweise TiO₂ hat drei verschiedene Kristallstrukturen:Anatas (tetragonal; Raumgruppe, I41/amd ), Brookit (orthorhombisch; Raumgruppe, Pcab) und Rutil (tetragonal; Raumgruppe, P42/mnm ) Phasen. Hier haben wir eine detaillierte Charakterisierung durchgeführt, um die mikrostrukturellen Eigenschaften von TiO₂ . zu untersuchen NMs. Die Kristallstrukturen des TiO₂ NMs wurden durch XRD untersucht und die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. 2a dargestellt. Die Beugungspeaks sind auf TiO₂ . indiziert mit Anatas- und Rutil-Strukturen (siehe Zusatzdatei 1:Abbildung S2), was auf die Existenz der Mischphase in TiO₂ . hinweist NMs kalziniert bei 500°C. Die Koexistenz beider Phasen könnte für die Superkondensatorleistung von TiO₂ . wertvoll sein NM [30, 38]. Abbildung 2b zeigt außerdem die Raman-Spektren des entsprechenden TiO₂ NMs, mit denen auch die in den NMs vorhandenen Phasen identifiziert werden können. Hier fünf Raman-Peaks, die Anatas TiO₂ . zugeschrieben werden befinden sich bei ~ 142 (E_g ), 393 (B_1g ), 397 (B_1g ), 513 (A_1g ), 515 (A_1g ) und 634 (E_g ) cm ⁻¹ [39], und sie können in allen drei Proben beobachtet werden. Auf der anderen Seite sind die 445 cm ⁻¹ (E_g )-Peak ist mit der Rutilphase verbunden und kann in allen drei Proben gesehen werden, außer dem Raman-Peak bei 610 cm ⁻¹ (A_1g ) erscheint nur in TiO₂ NM mit 400 ALD-Zyklen [40]. Die Entstehung von 610 cm ⁻¹ (A_1g ) Peak spiegelt die Mikrostrukturänderung wider, die durch den Sauerstoffmangel für die dicken NM während der Wärmebehandlung in Sauerstoff verursacht werden könnte [41]. Dies deutet darauf hin, dass die erhöhte Anzahl von ALD-Zyklen einen bemerkenswerten Einfluss auf die Kristallstruktur des TiO₂ . hat NMs, die durch XRD- und Raman-Spektren untersucht werden können, wie in Abb. 2 gezeigt. Die elektronische Konfiguration des TiO₂ NMs wurde auch von XPS untersucht und die Ergebnisse werden in der zusätzlichen Datei 1 angezeigt:Abbildung S3. Die Ergebnisse beweisen die Existenz von Ti ⁴⁺ in allen NMs und eine kleine Verschiebung der Peaks kann auf die oben erwähnte Änderung der Kristallstruktur zurückgeführt werden. Um die elektrochemische Leistung des TiO₂ . zu untersuchen NMs, ein elektrochemisches Drei-Elektroden-System mit einer Referenzelektrode, einer Gegenelektrode und einer Arbeitselektrode wurde betrieben. Hier diente Ag/AgCl als Referenzelektrode, um die Potentialdifferenz zu kontrollieren, und Pt-Gegenelektrode diente als Elektronenquelle, um Strom in Richtung TiO₂ . zu leiten NMs-Arbeitselektrode in Gegenwart eines wässrigen Elektrolyten (1 M KOH-Lösung). Es ist erwähnenswert, dass die Funktionsspannung des Superkondensators vom Elektrolyten abhängt und ein wässriger Elektrolyt mit guter elektronischer Leitfähigkeit und hoher Dielektrizitätskonstante hilfreich sein kann, um eine höhere Kapazität zu erreichen [42]. Die erfassten CV- und CP-Kurven von Elektroden aus TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen werden in Abb. 3a, b und zusätzliche Datei 1 angezeigt:Abbildung S4. Man sieht, dass in Abb. 3a alle CV-Kurven von drei Elektroden aus TiO₂ NMs mit unterschiedlichen Dicken weisen Redoxpeaks auf. Zum Vergleich ist auch die CV-Kurve von reinem Nickelschaum aufgetragen, und es ist kein offensichtlicher Peak zu beobachten. Im Allgemeinen kann das Auftreten von Redoxpeaks mit Kationenwechselwirkungen auf der Oberfläche des TiO₂ . in Verbindung gebracht werden NMs, und die Interaktion kann wie folgt ausgedrückt werden:[43]

Mikrostrukturelle Charakterisierungen von TiO₂ NMs. a XRD-Muster von TiO₂ Mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen hergestellte NMs. b Raman-Spektren von TiO₂ Mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen hergestellte NMs

Elektrochemische Charakterisierung von TiO₂ NMs-Superkondensator. a CV-Kurven von reinem Ni-Schaum, Elektroden aus TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen. Die Abtastrate beträgt 10 mV/s. b CV-Kurven einer Elektrode aus TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen, erhalten bei unterschiedlichen Abtastraten. c CP-Kurven einer Elektrode aus TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen. Die Stromdichte beträgt 1 A/g. d CP-Kurve einer Elektrode aus TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen, erhalten bei unterschiedlichen Stromdichten

wobei M ⁺ könnte H₃ . sein O ⁺ oder K ⁺ im Elektrolyten. Der Wechsel zwischen verschiedenen Oxidationsstufen des Ti-Ions deutet auf sein Potenzial als Redoxelektrodenmaterial hin. Als Reaktion auf die schnelle Oberflächen-Farad-Reaktion werden die CV-Kurven von TiO₂ NMs weisen im Vergleich zu reinem Ni-Schaum größere Flächen auf, was auf den höheren spezifischen Kapazitätswert von TiO₂ . hinweist NMs. Insbesondere kann man sehen, dass die Fläche der CV-Kurven mit den ALD-Zyklen abnimmt, was auf eine Abnahme der Kapazität bei dickeren NMs hindeutet, wie die folgenden CP-Ergebnisse weiter belegen werden. Ein Reduktionspeak bei ~ 0,2 V ist in allen Elektroden deutlich zu beobachten und ist mit lokalisierten Zuständen innerhalb der Bandlücke assoziiert [44, 45]. Darüber hinaus haben wir auch CV-Kurven von Elektroden aus TiO₂ . gemessen NMs mit 100 ALD bei unterschiedlichen Abtastraten und die Ergebnisse sind in Abb. 3b dargestellt. Ein Redoxpeak-Shifting-Verhalten (von höherem zu niedrigerem Potential) ist mit der Änderung der Interkalation/Deinterkalation von M ⁺ . verbunden Ionen und synergetischer Effekt [46, 47]. Kurz gesagt, eine begrenzte Diffusions- und Ladungstransferrate bei einer höheren Scanrate führt zu einer entsprechenden Verschiebung [48, 49]. Zur weiteren Veranschaulichung des Lade-/Entladeverhaltens sind die galvanostatischen Lade-/Entladekurven von TiO₂ NMs-Elektroden bei unterschiedlichen Stromdichten innerhalb eines Potenzialbereichs von 0–0,5 V sind in Abb. 3c, d und Zusatzdatei 1:Abbildung S4 dargestellt. Die nichtlinearen Kurven von CP repräsentieren die Pseudokondensatorfunktion, die mit den CV-Kurven übereinstimmt, und repräsentieren das Faradaysche Verhalten. Es ist zu beachten, dass die Entladezeit von TiO₂ NMs-Elektrode mit 100 ALD-Zyklen ist im Vergleich zu TiO₂ . deutlich verlängert NMs-Elektroden mit 200 und 400 ALD-Zyklen, was den größten spezifischen Kapazitätswert angibt. Ultradünne NMs-Elektroden weisen jedoch eine hohe gravimetrische spezifische Aktivität auf, können jedoch aufgrund der begrenzten Anzahl aktiver Zentren keinen großen Strom liefern [50]. Die verlängerten Lade-/Entladezeiten von TiO₂ NMs-Elektroden mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen bei einer Stromdichte von 1 A/g bedeutet, dass während des Prozesses Reduktions-/Oxidationsreaktionen (hauptsächlich auf Oberflächen von NMs) stattfinden, was die Eigenschaft von Pseudokondensatoren ist [51]. Abbildung 4 (a) zeigt die spezifischen Kapazitäten von Elektroden aus TiO₂ NMs mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen bei unterschiedlichen Stromdichten von 1 bis 5 A/g. Spezifische Kapazitäten von 2332, 1780, 1740, 1720 und 1690 F/g werden aus TiO₂ . erhalten NMs mit 100 ALD-Zyklen, 1660, 1300, 1182, 1104 und 1040 F/g aus TiO₂ NMs mit 200 ALD und 1094, 848, 732, 672 und 630 F/g aus TiO₂ NMs mit 400 ALD-Zyklen. In der bisherigen Literatur haben Yang et al. [43] stellten das TiO₂ . her /N-dotierte Graphen-Verbundstruktur mit einer Kapazität von 385,2 F/g bei 1 A/g und 320,1 F/g bei 10 A/g. Zhiet al. [52] berichteten von einer spezifischen Kapazität von 216 F/g für TiO₂ Nanobänder mit Stickstoffdotierung. Diet al. [53] hergestelltes TiO₂ mit MnO₂ . dekorierte Nanoröhren Nanopartikel und eine spezifische Kapazität von 299 F/g bei einer Stromdichte von 0,5 A/g wurde erhalten. Offensichtlich ist die Kapazität der Elektrode aus aktuellem TiO₂ NMs ist viel höher. Darüber hinaus ist die Energie- und Leistungsdichtebeziehung der drei Elektroden in Abb. 4b und Zusatzdatei 1:Tabelle S1 gezeigt. Die Energiedichte ist die Kapazität von Energiespeichergeräten und die Leistungsdichte ist ihre Fähigkeit, diese bereitzustellen. Beides sind die Schlüsselparameter, die zur Bewertung der elektrochemischen Leistung von Superkondensatoren verwendet werden. Anschaulich, wenn die Stromdichte von 1 auf 5 A/g steigt, TiO₂ NMs-Elektrode mit 100 ALD-Zyklen besitzt eine hohe Energiedichte von 81–57 Wh/kg im Vergleich zu 59–36 Wh/kg von TiO₂ NMs-Elektrode mit 200 ALD-Zyklen und 38–21 Wh/kg TiO₂ Elektroden-NMs mit 400 ALD-Zyklen, während die Leistungsdichte von 250 auf 1250 W/kg ansteigt (Abb. 4b). Die hohe Leistung könnte auf die Mischung von Anatas- und Rutil-Phasen zurückzuführen sein (Abb. 2), da dies zu einer Oberflächenpassivierung und einem erhöhten Ionentransport führt [54,55,56]. Darüber hinaus ist die vergrößerte Oberfläche des TiO₂ NMs und Interkonnektivität zwischen den NMs bewirken auch die Verbesserung des Ionentransports. Andererseits glauben wir, dass die Abnahme der elektrochemischen Leistung mit zunehmenden ALD-Zyklen hauptsächlich auf die verringerte NM/Elektrolyt-Grenzfläche zurückzuführen ist, wenn die Massen der aktiven Materialien gleich sind. Darüber hinaus ist das TiO₂ NMs mit mehr ALD-Zyklen (d. h. Dicke) sind steifer und flacher (siehe Abb. 1), und daher ist die Überlappung zwischen den NMs offensichtlich. Dies kann den Oberflächenzugang für Elektrolytionen einschränken, was zu Totvolumen, hohem Widerstand und verringerter Kapazität führt [57]. Darüber hinaus reicht die Diffusionsrate des Elektrolyten mit zunehmender Stromdichte möglicherweise nicht aus, um die elektrochemische Reaktion des Elektrodenmaterials zu erfüllen, und daher kann in Abb. 4a eine Abnahme der Kapazität mit der Stromdichte beobachtet werden [39, 40] . Um die elektrochemischen Eigenschaften des aktuellen TiO₂ . weiter aufzuzeigen NMs-Elektroden, EIS-Charakterisierungen wurden durchgeführt, da EIS Informationen über Elektroden-Elektrolyt und Elektrodeninnenwiderstand liefern kann [58]. Abbildung 4c zeigt die EIS-Ergebnisse aller drei Elektroden, und der horizontale Schnittpunkt zeigt den Innenwiderstand des Pseudokondensators. Es ist deutlich zu beobachten, dass TiO₂ NMs-Elektrode mit 400 ALD-Zyklen besitzt einen hohen Innenwiderstand im Vergleich zu TiO₂ NMs-Elektroden mit 200 und 100 ALD-Zyklen. Wir gehen davon aus, dass der erhöhte Widerstand von TiO₂ NMs-Elektrode mit 400 ALD-Zyklen ist hauptsächlich auf die erhöhte NM-Dicke zurückzuführen, da das TiO₂ hat einen relativ großen spezifischen Widerstand [39, 48]. Das TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen weisen im Vergleich zu anderen den niedrigsten Innenwiderstand auf, da die große Oberfläche einen besseren Ionendurchgang ermöglicht [59] und die Flexibilität von dünnen NM die Zwischenschichtverbindung mit verringertem spezifischen Widerstand verbessert. Alle diese Ergebnisse zeigen, dass dünnes TiO₂ NMs mit hoher Elektroaktivität sind vielversprechende Elektrodenmaterialien für Hochleistungs-Pseudokondensatoren. Um die potenzielle Anwendung von TiO₂ . zu demonstrieren NMs-Superkondensator, vier Elektroden aus TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen wurden zu zwei symmetrischen Superkondensatoren zusammengebaut, d. h. jeder Superkondensator bestand aus zwei Elektroden aus TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen. Die beiden Superkondensatoren wurden in Reihe geschaltet und dann mit 5 A/g Stromdichte auf 0,5 V aufgeladen. Anschließend wurde mit ihnen eine rote LED (Leuchtdiode) mit einer Arbeitsspannung von ~ 1,5 V zum Leuchten gebracht und die LED strahlte Licht aus für ~ 1 min (siehe Abb. 4d und Zusatzdatei 2:Video S1). Zyklenfestigkeit der Elektrode aus TiO₂ NMs mit 100 ALD-Zyklen wurden ebenfalls untersucht und die Ergebnisse sind in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S5 dargestellt. Nach 40 Lade-/Entladezyklen mit 5 A/g wird eine Kapazitätsbeibehaltung von 80,98 % beobachtet, was auf eine geringere Wechselwirkung von Elektrolytionen mit der Elektrodenoberfläche nach wiederholten Zyklen hindeutet. Wir glauben, dass die Leistung der NMs-Elektrode weiter verbessert werden könnte, wenn die Leitfähigkeit der NMs erhöht wird. Mit Hilfe der ALD-Technik kann die Leitfähigkeit der NMs erhöht werden, indem mehrschichtige NMs hergestellt werden, in die Materialien mit hoher Leitfähigkeit eingebaut werden. Weitere Arbeiten sind derzeit in Arbeit.

Leistungsvergleich von TiO₂ Nanometer-Elektroden. a Spezifische Kapazitäten des TiO₂ NM-Elektroden bei verschiedenen Stromdichten. b Ragone-Diagramm von TiO₂ NMs-Elektroden mit 100, 200 und 400 ALD-Zyklen. c Nyquist-Plot von drei TiO₂ Nanometer-Elektroden. d Ein Foto, das zeigt, dass zwei in Reihe geschaltete Superkondensatoren eine rote LED aufleuchten können

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir TiO₂ . hergestellt NMs für Elektroden von Superkondensatoren und die elektrochemische Leistung der NMs wurde im Detail untersucht. Das TiO₂ Die NM-Elektrode zeigt eine erhöhte Kapazität mit einer geringeren NM-Dicke. Bei einer Stromdichte von 1 A/g ergibt sich für TiO₂ . eine spezifische Kapazität von 2332 F/g NM mit 100 ALD-Zyklen, und die entsprechende Energiedichte wird mit 81  Wh/kg berechnet. Die Leistungssteigerung wird hauptsächlich der Herstellungsstrategie und dem ultradünnen Merkmal von NMs zugeschrieben, da die große Oberfläche und der kurze Diffusionsweg von NMs den Ionentransport durch die Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche erleichtern. Die Interkonnektivität zwischen den NMs verbessert auch den Ionentransport in der Elektrode bemerkenswert. Wir zeigen auch, dass zwei in Reihe geschaltete Superkondensatoren eine LED mit Strom versorgen können, was auf das Anwendungspotenzial von TiO₂ . hindeutet NMs-Superkondensator. Das aktuelle Design der Anlage ebnet den Weg zum kostengünstigen Bau von NMs-Elektroden für tragbare Energiespeichergeräte der nächsten Generation. Für praktische Anwendungen von NM-basierten Strukturen in zukünftigen Superkondensatoren sind jedoch weitere Studien erforderlich.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

ALD:

Atomlagenabscheidung

CP:

Chronopotentiometrie

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

DI:

Deionisiertes Wasser

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

LED:

Leuchtdiode

NMs:

Nanomembranen

PTFE:

Polytetrafluorethylen

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TDMAT:

Tetrakis Dimethylamid Titan

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugungsspektrometer