Nanomembran TiO2 Ultra Tipis melalui ALD untuk Elektroda Pseudokapasitor dengan Kapasitansi Rekor

Abstrak

TiO2 adalah bahan rendah biaya, ramah lingkungan dengan potensi elektrokimia yang baik. Penggunaan praktisnya dalam elektroda superkapasitor telah terbatas oleh resistensi ion internal yang tinggi dan konduktivitas listrik yang buruk. Dalam studi ini, kami menggunakan depozi lapisan atom (ALD) untuk memproduksi nanomembran TiO2 (NMs) dengan ketebalan yang terkontrol dengan tepat pada templat spons poliuretana tiga dimensi. Setelah kalinasi, NMs fleksibel ultra tipis yang dihasilkan menunjukkan fase campuran anatase/rutile yang meningkatkan transportasi ion. Pengujian elektrokimia menunjukkan bahwa NM 100 siklus memberikan kapasitansi spesifik luar biasa sebesar 2332 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, yang sesuai dengan kepadatan energi 81 Wh kg⁻¹. Dua elektroda seperti ini yang dirangkaian secara seri mampu menyalakan lampu LED merah selama sekitar satu menit, menunjukkan relevansi praktis. Temuan ini menyoroti janji NMs TiO2 yang ditanam ALD untuk pseudokapasitor generasi berikutnya dengan performa tinggi.

Pendahuluan

Superkapasitor dihargai karena kepadatan daya tinggi, kemampuan charge–discharge yang cepat, dan siklus umur panjang. Pseudokapasitor, yang bergantung pada reaksi Faradaic cepat, dapat mencapai kapasitansi dan kepadatan energi yang lebih tinggi dari perangkat elektrostatik murni. Oksida logam transisi, terutama TiO2, menarik sebagai elektroda pseudokapasitor karena biaya rendah, non-toksis, dan berbagai status oksidasi. Namun, TiO2 konvensi menderita konduktivitas elektron yang rendah dan difusi ion yang lambat, yang membatasi performanya.

Nanomembran dua dimensi (2-D) menawarkan rasio luas permukaan-volume yang tinggi, fleksibilitas, dan jalur difusi ion yang pendek—atribut yang dapat mengatasi keterbatasan ini. Kontrol ketebalan yang tepat esensial untuk mengoptimalkan properti elektrokimia, dan ALD menyediakan akurasi depozi skala nanometer sambil melapisi substrat 3-D kompleks secara konform. Di sini, kami menggabungkan ALD dengan templat polimer poros untuk memproduksi NMs TiO2 dengan ketebalan yang dapat diatur dan menyelidiki karakteristik struktural serta elektrokimia mereka.

Bahan dan Metode

Pembuatan Nanomembran TiO2

NMs TiO2 ditanam pada spons poliuretana komersial menggunakan ALD dengan tetrakis-dimetilamido titan (TDMAT) dan air sebagai precursori di bawah pengapusan nitrogen. Siklus depozi diatur ke 100, 200, atau 400, menghasilkan ketebalan rata-rata sekitar 15, 34, dan 71 nm masing-masing (AFM). Spons yang dilapisi dikalinasi pada 500 °C dalam O2 untuk menghapus polimer dan membentuk jaringan NM poros 3-D. Bubuk yang dihasilkan dibersihkan dengan etanol, HCl, dan air DI.

Persiapan Elektroda

Bubuk NM TiO2 (90 wt %) dicampur dengan pengikat PTFE (10 wt %) dan digiling dengan sejumlah kecil etanol untuk membentuk seler homogen. Seler dilapisi pada nikel foam yang dibersihkan, dikeringkan pada 60 °C, ditekan pada 10 MPa, dan diaktivasi dalam 1 M KOH selama 12 jam. Muatan bahan aktif sekitar 1,5 mg cm⁻².

Karakterisasi

Fase kristal identifikasi oleh XRD (Cu Kα) dan spektroskopi Raman. Morfologi diperiksa oleh SEM, dan topologi permukaan oleh AFM. Status kimia diteliti oleh XPS (C 1s sebagai referensi). Performa elektrokimia diukur dalam sel tiga elektroda (Ag/AgCl referensi, Pt kontra) menggunakan CV, kronopotensiometri (CP), dan EIS pada workstation CHI 660E. Kapasitansi spesifik, kepadatan energi, dan daya dihitung sesuai protokol standar.

Hasil dan Pembicaraan

Proses ALD mereproduksi morfologi 3-D spons, menghasilkan NMs halus dan fleksibel dengan ketebalan seragam. XRD mengonfirmasi fase campuran anatase/rutile; spektra Raman menampilkan puncak khas untuk kedua fase, dengan puncak rutile tambahan 610 cm⁻¹ muncul hanya pada sampel 400 siklus, mengindikasikan wilayah defisit oksigen akibat depozi yang lebih tebal.

Pengujian elektrokimia menunjukkan puncak redoks yang jelas pada semua elektroda NM TiO2, tidak ada pada nikel foam polos, mengonfirmasi perilaku pseudokapasitif. NM 100 siklus menunjukkan area CV terbesar dan waktu penguncian CP terpanjang, yang mengindikasikan kapasitansi superior. Kapasitansi spesifik pada 1 A g⁻¹ adalah 2332 F g⁻¹ (100 siklus), 1780 F g⁻¹ (200 siklus), dan 1094 F g⁻¹ (400 siklus). Kepadatan energi mengikuti tren yang sama: 81 Wh kg⁻¹, 59 Wh kg⁻¹, dan 38 Wh kg⁻¹, masing-masing. Kepadatan daya meningkat dari 250 ke 1250 W kg⁻¹ seiring meningkatnya kepadatan arus dari 1 ke 5 A g⁻¹.

Spektroskopi impedansi elektrokimia menunjukkan resistensi internal terendah untuk NM 100 siklus, mencerminkan luas permukaan yang tinggi dan konektivitas fleksibel, sedangkan NM 400 siklus menderita resistensi yang lebih tinggi karena antarmuka elektroda-elektrolit yang terreduksi dan kekakuan lembar yang meningkat.

Uji stabilitas siklus pada 5 A g⁻¹ selama 40 siklus menunjukkan retensi kapasitansi 80,98 % untuk NM 100 siklus, menekankan daya tahan yang baik. Keberlanjutan praktis diilustrasikan dengan merangkaikan dua elektroda seperti ini secara seri; perangkat menyala lampu LED merah (~1,5 V) selama ~1 menit setelah diisi daya pada 5 A g⁻¹.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa NMs TiO2 ultra tipis yang diproduksi oleh ALD pada templat poros memberikan performa pseudokapasitif tertinggi rekaman, dengan kapasitansi spesifik 2332 F g⁻¹ dan kepadatan energi 81 Wh kg⁻¹ pada 1 A g⁻¹. Kombinasi fase campuran anatase/rutile, luas permukaan tinggi, dan fleksibilitas yang baik memungkinkan transportasi ion yang cepat dan resistensi internal rendah. Hasil ini menetapkan NMs TiO2 yang ditanam ALD sebagai platform yang menjanjikan, rendah biaya untuk perangkat penyimpanan energi yang dapat dikenakan dengan performa tinggi.

Singkatan

AFM

Mikroskopi gaya atom

ALD

Depozi lapisan atom

CP

Kronopotensiometri

CV

Voltametri siklik

DI

Air deionisasi

EIS

Spektroskopi impedansi elektrokimia

LED

Diod memancarkan cahaya

NMs

Nanomembran

PTFE

Politetrafluoroetilena

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

TDMAT

Tetrakis dimetilamido titan

XPS

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

XRD

Diffraksi sinar-X