Nanomembranas de TiO2 fabricadas por deposição de camada atômica para eletrodo supercapacitor com capacitância aprimorada

Resumo

TiO ₂ é um material promissor, favorável ao meio ambiente, de baixo custo e de alto desempenho eletroquímico. No entanto, impedimentos como alta resistência iônica interna e baixa condutividade elétrica restringem suas aplicações como eletrodo para supercapacitor. No presente trabalho, a deposição da camada atômica foi usada para fabricar TiO ₂ nanomembranas (NMs) com espessuras controladas com precisão. O TiO ₂ Os NMs foram então usados como eletrodos para pseudocapacitores de alto desempenho. Resultados experimentais demonstraram que o TiO ₂ NM com 100 ciclos ALD teve a maior capacitância de 2332 F / g a 1 A / g com densidade de energia de 81 Wh / kg. O desempenho aprimorado foi atribuído à grande área de superfície e à interconectividade no caso de NMs ultrafinos e flexíveis. Ciclos ALD aumentados levaram a NMs mais rígidos e capacitância reduzida. Além disso, uma série de dois supercondensadores pode acender um diodo emissor de luz com uma tensão de trabalho de ~ 1,5 V, descrevendo suficientemente seus valores de aplicação.

Introdução

Com o amadurecimento da tecnologia de armazenamento de energia [1], os supercapacitores têm recebido grande atenção devido à sua alta densidade de potência, rápida taxa de carga-descarga e bom desempenho de ciclagem [2,3,4]. Pseudocapacitor é uma classe importante de supercapacitores, que podem entregar alta capacitância atraente e densidade de energia em comparação com supercapacitores eletroquímicos [5,6,7]. Nas últimas décadas, os óxidos de metal de transição (por exemplo, RuO ₂ [8], MoO ₂ [9], MnO ₂ [10], Ni / NiO [11], Co ₃ O ₄ [12] e TiO ₂ [13]) e hidróxidos [14,15,16] foram usados como materiais clássicos de eletrodos para pseudocapacitores devido ao baixo custo, baixa toxicidade, múltiplos estados de oxidação [17] e grande flexibilidade nas estruturas e morfologia. No entanto, sua instabilidade térmica, defeitos de impureza e capacidade de taxa são geralmente limitados pela condutividade inadequada para suportar o transporte rápido de elétrons exigido por altas taxas. Para resolver esses problemas, TiO de baixa dimensão ₂ estruturas (1D, 2D, 2D + 1D e 3D) com alta relação superfície-volume, boa estrutura de superfície, grande estabilidade elétrica e térmica, propriedades de gap de energia favorável e alta constante dielétrica têm sido utilizados como materiais de eletrodo promissores para supercapacitores [18,19,20,21,22]. Especialmente, pensamos que estruturas de nanomembrana 2D (NM) com excelente flexibilidade devem ter grande potencial em aplicações de eletrodos. O controle da espessura da nanomembrana é, portanto, crucial na fabricação de dispositivos funcionais em um nanomundo bem definido [23]. Além disso, a fabricação em larga escala de materiais em nanoescala também é crucial para aplicações práticas [24]. Pode-se notar que a deposição de camada atômica (ALD) é uma técnica cativante usada para construir nanodispositivos [25, 26]. Esta técnica poderosa pode depositar filmes finos camada por camada com controle de espessura preciso e pode cobrir de forma conformada estruturas 3D com alta razão de aspecto [27,28,29,30], e a produtividade pode, assim, ser bastante aprimorada. No trabalho atual, apresentamos a fabricação de TiO 2D ₂ NMs com diferentes espessuras realizando ALD em modelo de polímero poroso 3D com grande área de superfície [31, 32]. A caracterização microestrutural elucida que a estrutura cristalina do NM é uma mistura das fases anatase e rutilo. As caracterizações eletroquímicas demonstram que os NMs ultrafinos e flexíveis apresentam desempenho aprimorado devido à grande área de superfície e à interconectividade entre os NMs. O transporte de íons melhorado causa a reação Faradaica na superfície, bem como no bulk [33], resultando em aumento da capacitância e densidades de energia.

Métodos

Fabricação de TiO ₂ NMs

TiO ₂ NMs com várias espessuras (100, 200 e 400 ciclos ALD) foram depositados em uma esponja de poliuretano disponível comercialmente usando a técnica ALD. Tetrakis dimetilamida titânio (TDMAT) e água desionizada (DI) foram usados como precursores na presença de nitrogênio (N ₂ ) gás que serviu como gases de transporte e de purga. A taxa de fluxo do gás transportador foi de 20 sccm. Uma sequência ALD típica inclui pulso TDMAT (200 ms), N ₂ purga (20.000 ms), H ₂ O pulso (20 ms) e N ₂ purga (30.000 ms). Os precursores usados foram adquiridos da J&K Scientific Ltd., China. O precursor cobriu conformalmente a esponja tridimensionalmente porosa, o que levou a uma produtividade promovida devido à grande área de superfície do molde [34]. O TiO ₂ as esponjas revestidas foram calcinadas a 500 ° C por 4 h em um O ₂ fluxo de 400 mL / min, e o molde foi completamente removido. O TiO resultante ₂ Os NMs foram triturados e limpos em etanol, ácido clorídrico (HCl) e água DI.

Preparação do eletrodo

Para fabricar um supercapacitor de alto desempenho, TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos de ALD foram usados como o material ativo e politetrafluoroetileno (PTFE) foi usado como aglutinante. O conteúdo do TiO ₂ NMs e aglutinante foram 90% em peso e 10% em peso, respectivamente. Um TiO homogêneo ₂ A pasta de NMs foi obtida misturando-se os NMs e o ligante com uma pequena quantidade de etanol e um processo de moagem foi iniciado. A pasta uniforme preparada foi depositada sobre a espuma de níquel limpa e, em seguida, a amostra foi desgaseificada a 60 ° C por 2 h em vácuo. Para completar a fabricação do eletrodo, a amostra foi prensada sob pressão de 10 MPa. O TiO preparado ₂ O eletrodo de NMs foi embebido em solução de KOH 1 M por 12 h para ativar o eletrodo. As densidades de carga dos materiais ativos foram de cerca de 1,5 mg cm ⁻² para todos os eletrodos. A massa do TiO ₂ Os NMs em espuma de níquel foram obtidos calculando a diferença de massa entre o eletrodo e a espuma de níquel [35].

Caracterização microestrutural

A estrutura cristalográfica do TiO ₂ NMs foi inspecionado por técnica de difração de raios-X (XRD). Os padrões de XRD foram registrados usando um Bruker D8A Advanced XRD com radiação Cu Kα ( λ =1,5405 Å). A morfologia do TiO ₂ NMs foi examinado por microscopia eletrônica de varredura (SEM, Zeiss Sigma). Os espectros Raman das amostras foram realizados em um espectrômetro Horiba Scientific Raman ( λ =514 nm). A análise elementar e o estado químico do TiO ₂ Os NMs foram obtidos usando um espectroscópio de fotoelétrons de raios X (XPS) PHI 5000C EACA, com pico C 1s em 284,6 eV como o sinal padrão. Microscopia de força atômica (AFM, Dimension Edge, Bruker, EUA) com modo de toque foi usada para topografia de superfície de TiO ₂ NMs.

Caracterização eletroquímica

Três - sistema de eletrodo foi utilizado para estudar as propriedades eletroquímicas do TiO ₂ Eletrodo de trabalho NMs onde Ag / AgCl e folha de platina atuaram como eletrodo de referência e contra eletrodo, respectivamente. As medições de voltametria cíclica (CV), cronopotenciometria (CP) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foram realizadas em uma estação de trabalho eletroquímica Chenhua CHI 660E a 25 ° C em solução aquosa 1 M de KOH. Os resultados do EIS foram obtidos na faixa de frequência de 100 KHz a 1 Hz com amplitude de 5 mV. Os métodos de cálculo de capacitâncias específicas e densidades de energia / potência são descritos no arquivo adicional 1.

Resultados e discussão

A preparação do TiO ₂ NMs é mostrado na Fig. 1a. O TDMAT e H ₂ O foram usados como precursores ALD para depositar TiO ₂ no modelo de esponja de poliuretano. A reação pode ser descrita em duas meias equações como segue:[36]
$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} \ mathrm {Ti} {\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _ 4+ { \ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {OH}} ^ {\ ast} \ to \ mathrm {NH} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \\ {} + { \ mathrm {TiO}} _ 2- \ mathrm {O} - \ mathrm {Ti} {{\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _3} ^ {\ ast} \ end {array}} $$ (1) $$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} {\ mathrm {TiO}} _ 2- \ mathrm {O} - \ mathrm {Ti } {{\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _ 3} ^ {\ ast} +2 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \\ {} \ to {\ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {OH}} ^ {\ ast} +3 \ left (\ mathrm {N} \ mathrm {H} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right) \ end {array}} $$ (2)

Processo de fabricação e morfologias de TiO ₂ NMs com diferentes espessuras. a O esboço representou o processo de fabricação do TiO ₂ NMs. b - d Imagens SEM do TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD, respectivamente. Barras de escala em inserções são de 1 μm

A reação total pode ser escrita como:
$$ \ mathrm {Ti} \ Big (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {C}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 6 \ right)} _ 4 + 2 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to {\ mathrm {TiO}} _ 2 + 4 {\ mathrm {H} \ mathrm {NC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 6 $$ (3)
A esponja com TiO ₂ NM revestido foi então aquecido a alta temperatura. Durante a calcinação a 500 ° C sob atmosfera de oxigênio, o modelo de polímero foi convertido em CO ₂ e deixou a estrutura NM porosa 3D para trás [34]. O esmagamento dessa estrutura porosa 3D levou à fabricação de uma estrutura semelhante a um pó na cor branca (Fig. 1a). As morfologias do TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos de ALD foram posteriormente observados por SEM e são demonstrados na Fig. 1b-d. Descobrimos que os tamanhos laterais dos NMs com diferentes ciclos de ALD são normalmente em torno de dezenas de mícrons. A espessura do TiO ₂ Os NMs fabricados neste trabalho foram sondados pela técnica de AFM e os resultados são apresentados no Arquivo Adicional 1:Figura S1. A espessura média de TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD são ~ 15, 34 e 71 nm, respectivamente. Com o aumento dos ciclos ALD, TiO ₂ NMs é convertido em uma folha mais espessa e rígida. As inserções correspondentes na Fig. 1b-d demonstram que a espessura dos NMs é uniforme e alguns pequenos vincos representam a flexibilidade do TiO ₂ NM especialmente nos casos mais finos. Os NMs depositados por ALD podem replicar a morfologia do substrato original (ou seja, esponja) e, portanto, algumas estruturas de superfície irregulares nas inserções da Fig. 1c e d podem se originar do modelo ou do processo de calcinação [37]. Normalmente, TiO ₂ tem três estruturas cristalinas diferentes:anatase (tetragonal; grupo espacial, I41 / amd ), brookita (ortorrômbico; grupo espacial, Pcab) e rutilo (tetragonal; grupo espacial, P42 / mnm ) fases. Aqui, realizamos uma caracterização detalhada para investigar as propriedades microestruturais do TiO ₂ NMs. As estruturas cristalinas do TiO ₂ Os NMs foram investigados por XRD e os resultados correspondentes são mostrados na Fig. 2a. Os picos de difração são indexados a TiO ₂ com estruturas anatásio e rutilo (ver arquivo adicional 1:Figura S2), indicando a existência da fase de mistura no TiO ₂ NMs calcinados a 500 ° C. A coexistência de ambas as fases pode ser valiosa para o desempenho do supercapacitor do TiO ₂ NMs [30, 38]. A Figura 2b demonstra ainda os espectros Raman do TiO ₂ correspondente NMs, que também podem ser usados para identificar as fases existentes nos NMs. Aqui, cinco picos Raman atribuídos a anatase TiO ₂ estão localizados em ~ 142 (E _g ), 393 (B _1g ), 397 (B _1g ), 513 (A _1g ), 515 (A _1g ) e 634 (E _g ) cm ⁻¹ [39], e eles podem ser observados nas três amostras. Por outro lado, o ⁻¹ de 445 cm (E _g ) pico está conectado com a fase rutilo e pode ser visto em todas as três amostras, mas o pico Raman em 610 cm ⁻¹ (A _1g ) aparece apenas no TiO ₂ NM com 400 ciclos ALD [40]. O surgimento de 610 cm ⁻¹ (A _1g ) pico reflete a mudança microestrutural, que pode ser causada pelo oxigênio insuficiente para o NM espesso durante o tratamento térmico em oxigênio [41]. Isso indica que o aumento do número de ciclos ALD tem uma influência notável na estrutura cristalina do TiO ₂ NMs, que podem ser sondados por espectros de XRD e Raman mostrados na Fig. 2. A configuração eletrônica do TiO ₂ Os NMs também foram estudados pelo XPS e os resultados são exibidos no arquivo Adicional 1:Figura S3. Os resultados comprovam a existência de Ti ⁴⁺ em todos os NMs e uma pequena mudança dos picos pode ser atribuída à mudança na estrutura do cristal, conforme mencionado acima. Para estudar o desempenho eletroquímico do TiO ₂ NMs, sistema eletroquímico de três eletrodos incluindo um eletrodo de referência, contra-eletrodo e um eletrodo de trabalho foi operado. Aqui, Ag / AgCl foi servido como um eletrodo de referência para controlar a diferença de potencial e o contra-eletrodo de Pt foi engajado como uma fonte de elétrons para transitar a corrente em direção ao TiO ₂ Eletrodo de trabalho de NMs na presença de eletrólito aquoso (solução 1 M de KOH). É importante notar que a voltagem funcional do supercapacitor depende do eletrólito, e o eletrólito aquoso com boa condutividade eletrônica e alta constante dielétrica pode ser útil para obter capacitância mais alta [42]. As curvas CV e CP adquiridas de eletrodos feitos de TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD são exibidos na Fig. 3a, be Arquivo adicional 1:Figura S4. Pode-se ver que na Fig. 3a, todas as curvas CV de três eletrodos feitos de TiO ₂ NMs com espessuras diferentes exibem picos redox. A curva CV de espuma de níquel puro também é traçada para comparação e nenhum pico óbvio pode ser observado. Geralmente, o aparecimento de picos redox pode ser associado a interações de cátions na superfície do TiO ₂ NMs, e a interação pode ser expressa como:[43]
$$ {\ left ({\ mathrm {TiO}} _ 2 \ right)} _ {\ mathrm {surface}} + {\ mathrm {M}} ^ {+} + {e} ^ {-} \ leftrightarrow {\ esquerda ({\ mathrm {TiO}} _ 2 {{} ^ {-} \ mathrm {M}} ^ {+} \ direita)} _ {\ mathrm {superfície}} $$

Caracterizações microestruturais de TiO ₂ NMs. a Padrões de XRD de TiO ₂ NMs fabricados com 100, 200 e 400 ciclos ALD. b Espectros Raman de TiO ₂ NMs fabricados com 100, 200 e 400 ciclos ALD

Caracterização eletroquímica de TiO ₂ Supercapacitor NMs. a Curvas CV de espuma de Ni pura, eletrodos feitos de TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD. A taxa de varredura é de 10 mV / s. b Curvas CV do eletrodo feito de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD, obtidos em diferentes taxas de varredura. c Curvas CP do eletrodo feitas de TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD. A densidade de corrente é 1 A / g. d Curva CP do eletrodo feito de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD, obtidos em diferentes densidades de corrente

onde M ⁺ poderia ser H ₃ O ⁺ ou K ⁺ no eletrólito. A mudança entre os diferentes estados de oxidação do íon Ti sugere seu potencial como material de eletrodo redox. Em resposta à reação rápida de Farad de superfície, as curvas CV de TiO ₂ Os NMs exibem áreas maiores em comparação com a espuma de Ni pura, implicando no maior valor de capacitância específica de TiO ₂ NMs. Especificamente, pode-se ver que a área das curvas CV diminui com os ciclos ALD, sugerindo uma diminuição da capacitância no caso de NMs mais espessos, como será posteriormente comprovado nos resultados de CP seguintes. Um pico de redução em ~ 0,2 V pode ser claramente observado em todos os eletrodos e está associado a estados localizados de gap intrabanda [44, 45]. Além disso, também medimos as curvas CV do eletrodo feito de TiO ₂ NMs com 100 ALD em diferentes taxas de varredura e os resultados são mostrados na Fig. 3b. Um comportamento de deslocamento de pico redox (do potencial mais alto para o mais baixo) está conectado com a mudança na intercalação / desintercalação de M ⁺ íons e efeito sinérgico [46, 47]. Resumidamente, difusão limitada e taxa de transferência de carga em uma taxa de varredura mais alta levam ao deslocamento correspondente [48, 49]. A fim de ilustrar melhor o comportamento de carga / descarga, as curvas de carga / descarga galvanostática do TiO ₂ Eletrodos NMs em diferentes densidades de corrente dentro de uma faixa de potencial de 0–0,5 V são mostrados na Fig. 3c, de Arquivo adicional 1:Figura S4. As curvas não lineares do CP representam a função do pseudocapacitor, que é consistente com as curvas CV, e representam o comportamento Faradaico. Deve-se observar que o tempo de descarga do TiO ₂ Eletrodo NMs com 100 ciclos ALD é notavelmente prolongado em comparação com TiO ₂ Eletrodos NMs com 200 e 400 ciclos ALD, indicando o maior valor de capacitância específica. No entanto, eletrodos NMs ultrafinos exibem alta atividade gravimétrica específica, mas não podem suportar grandes correntes devido ao número limitado de sítios ativos [50]. Os tempos de carga / descarga estendidos do TiO ₂ Eletrodos NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD em densidade de corrente de 1 A / g significam que reações de redução / oxidação ocorrem (principalmente nas superfícies dos NMs) durante o processo, que é propriedade do pseudocapacitor [51]. A Figura 4 (a) mostra as capacitâncias específicas dos eletrodos feitos de TiO ₂ NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD em diferentes densidades de corrente variando de 1 a 5 A / g. Capacitâncias específicas de 2332, 1780, 1740, 1720 e 1690 F / g são obtidas a partir de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD, 1660, 1300, 1182, 1104 e 1040 F / g de TiO ₂ NMs com 200 ALD e 1094, 848, 732, 672 e 630 F / g de TiO ₂ NMs com 400 ciclos ALD. Na literatura anterior, Yang et al. [43] preparou o TiO ₂ / Estrutura composta de grafeno dopado com N com uma capacitância de 385,2 F / g a 1 A / ge 320,1 F / g a 10 A / g. Zhi et al. [52] relatou uma capacitância específica de 216 F / g para TiO ₂ nanobelts com dopagem de nitrogênio. Di et al. [53] TiO fabricado ₂ nanotubos decorados com MnO ₂ nanopartículas e uma capacitância específica de 299 F / g a uma densidade de corrente de 0,5 A / g foi obtida. Obviamente, a capacitância do eletrodo feita a partir da corrente TiO ₂ NMs é muito maior. Além disso, a relação de densidade de energia e potência dos três eletrodos é mostrada na Fig. 4b e no arquivo adicional 1:Tabela S1. Densidade de energia é a capacidade de dispositivos de armazenamento de energia e densidade de potência é sua capacidade de entregá-la, e ambos são os principais parâmetros usados para avaliar o desempenho eletroquímico de supercapacitores. Vividamente, quando a densidade da corrente aumenta de 1 para 5 A / g, TiO ₂ O eletrodo NMs com 100 ciclos ALD possui uma alta densidade de energia de 81-57 Wh / kg em comparação com 59-36 Wh / kg de TiO ₂ Eletrodo NMs com 200 ciclos ALD e 38-21 Wh / kg de TiO ₂ eletrodo NMs com 400 ciclos ALD, enquanto a densidade de potência aumenta de 250 para 1250 W / kg (Fig. 4b). O alto desempenho pode ser devido à mistura das fases anatase e rutilo (Fig. 2), pois isso leva à passivação da superfície e aumento do transporte de íons [54,55,56]. Além disso, a área de superfície ampliada do TiO ₂ NMs e a interconectividade entre os NMs também causam o aprimoramento no transporte de íons. Por outro lado, acreditamos que a diminuição no desempenho eletroquímico com o aumento dos ciclos de ALD se deve principalmente à diminuição da área de interface NM / eletrólito se as massas dos materiais ativos forem iguais. Além disso, o TiO ₂ NMs com mais ciclos ALD (isto é, espessura) é mais rígido e plano (ver Fig. 1) e, portanto, a sobreposição entre os NMs é óbvia. Isso pode limitar o acesso à superfície para íons eletrolíticos, resultando em volume morto, alta resistência e capacitância reduzida [57]. Além disso, com o aumento das densidades de corrente, a taxa de difusão do eletrólito pode não ser suficiente para satisfazer a reação eletroquímica do material do eletrodo e, portanto, uma diminuição da capacitância com a densidade da corrente pode ser observada na Fig. 4a [39, 40] . A fim de revelar ainda mais as propriedades eletroquímicas do TiO atual ₂ Eletrodos NMs, caracterizações EIS foram realizadas porque EIS pode fornecer as informações sobre eletrodo-eletrólito e resistência interna do eletrodo [58]. A Figura 4c demonstra os resultados EIS de todos os três eletrodos, e a interceptação horizontal indica a resistência interna do pseudocapacitor. É claramente observado que TiO ₂ Eletrodo NMs com 400 ciclos ALD possui alta resistência interna em comparação com TiO ₂ Eletrodos NMs com 200 e 100 ciclos ALD. Consideramos que o aumento da resistência do TiO ₂ Eletrodo NMs com 400 ciclos ALD é principalmente devido ao aumento da espessura NM desde o TiO ₂ tem resistividade relativamente grande [39, 48]. O TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD exibem a menor resistência interna em comparação com outros porque a grande área de superfície permite a melhor passagem de íons [59] e a flexibilidade do NM fino melhora a conexão intercamada com resistividade diminuída. Todos esses resultados demonstram que TiO fino ₂ NMs com alta eletroatividade são materiais de eletrodo promissores para pseudocapacitores de alto desempenho. Para demonstrar o potencial de aplicação do TiO ₂ Supercapacitor NMs, quatro eletrodos feitos de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD foram montados em dois supercapacitores simétricos, ou seja, cada supercapacitor consistia em dois eletrodos de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD. Os dois supercapacitores foram conectados em série e carregados com densidade de corrente de 5 A / g para 0,5 V. Em seguida, eles foram usados para acender um LED vermelho (diodo emissor de luz) com tensão de trabalho de ~ 1,5 V e o LED emitiu luz por ~ 1 min (consulte a Fig. 4d e o arquivo adicional 2:Vídeo S1). A estabilidade do ciclo do eletrodo feito de TiO ₂ NMs com 100 ciclos ALD também foram estudados e os resultados são mostrados no Arquivo Adicional 1:Figura S5. Uma retenção de capacitância de 80,98% é observada após o ciclo a 5 A / g por 40 ciclos de carga / descarga, sugerindo uma menor interação dos íons eletrolíticos com a superfície do eletrodo após ciclos repetidos. Acreditamos que o desempenho do eletrodo NMs pode ser ainda mais promovido se a condutividade dos NMs for aumentada. Com a ajuda da técnica ALD, a condutividade dos NMs pode ser aumentada pela fabricação de NMs multicamadas onde materiais com alta condutividade são incorporados. Mais obras estão em andamento.

Comparação de desempenho do TiO ₂ Eletrodos NMs. a Capacitâncias específicas do TiO ₂ Eletrodos de NM em várias densidades de corrente. b Gráfico de Ragone de TiO ₂ Eletrodos NMs com 100, 200 e 400 ciclos ALD. c Gráfico de Nyquist de três TiO ₂ Eletrodos NMs. d Uma foto mostrando que dois supercapacitores em série podem acender um LED vermelho

Conclusão

Em resumo, fabricamos TiO ₂ NMs para eletrodos de supercapacitor, e o desempenho eletroquímico dos NMs foi estudado em detalhes. O TiO ₂ O eletrodo de NM demonstra capacitância aumentada com espessura de NM morta. A uma densidade de corrente de 1 A / g, a capacitância específica de 2332 F / g é obtida para TiO ₂ NM com 100 ciclos ALD e a densidade de energia correspondente é calculada em 81 Wh / kg. O aprimoramento do desempenho é atribuído principalmente à estratégia de fabricação e ao recurso ultrafino dos NMs, porque a grande área de superfície e o caminho de difusão curto dos NMs facilitam o transporte de íons através da interface eletrodo / eletrólito. A interconectividade entre os NMs também melhora notavelmente o transporte de íons no eletrodo. Também demonstramos que dois supercapacitores conectados em série podem alimentar um LED, sugerindo o potencial de aplicação do TiO ₂ Supercapacitor NMs. O design fácil atual abre o caminho para construir eletrodos NMs para dispositivos de armazenamento de energia vestíveis de próxima geração a baixo custo. No entanto, para aplicações práticas de estruturas baseadas em NM em futuros supercapacitores, mais estudos são necessários.