原子层沉积超薄TiO₂纳米膜为赝电容电极带来记录级高电容
摘要
TiO₂因低成本、环境友好及优异电化学潜力备受关注,但高内部离子电阻和差电导率限制其在超级电容器电极应用。本研究利用原子层沉积(ALD)在三维聚氨酯海绵模板上制备厚度可控的TiO₂纳米膜(NMs)。煅烧后得到混合锐钛矿/金红石相的超薄柔性NMs,增强离子传输。电化学测试显示,100循环NM在1 A g⁻¹下比电容高达2332 F g⁻¹,对应能量密度81 Wh kg⁻¹。两电极串联可点亮红色LED约1分钟,展示实用潜力。研究凸显ALD生长TiO₂ NMs用于下一代高性能赝电容器的前景。
引言
超级电容器因高功率密度、快速充放电和长循环寿命受重视。赝电容器依赖快速法拉第反应,可比纯静电器件实现更高电容和能量密度。过渡金属氧化物,尤其是TiO₂,因低成本、无毒和多氧化态成为赝电容电极候选。但常规TiO₂电导率低、离子扩散慢,制约性能。
二维(2D)纳米膜提供高表面积体积比、柔性和短离子扩散路径,可克服上述限制。精确厚度控制对优化电化学性能至关重要,ALD提供纳米级沉积精度并能共形包覆复杂3D基底。本文结合ALD与多孔聚合物模板制备可调厚度TiO₂ NMs,研究其结构和电化学特性。
材料与方法
TiO₂纳米膜制备
以四甲基氨基钛(TDMAT)和水为前驱体,在氮气吹扫下于商用聚氨酯海绵上ALD沉积TiO₂ NMs。沉积循环设为100、200、400次,AFM测得平均厚度分别约15、34、71 nm。涂层海绵在O₂中500°C煅烧去除聚合物,形成3D多孔NM网络。所得粉末经乙醇、HCl和去离子水清洗。
电极制备
TiO₂ NM粉末(90 wt%)与PTFE粘结剂(10 wt%)混合,加少量乙醇研磨成浆料。涂覆洁净镍泡沫,60°C干燥,10 MPa压制,1 M KOH中活化12小时。活性物质载量~1.5 mg cm⁻²。
表征
XRD(Cu Kα)和拉曼光谱鉴定晶相。SEM观察形貌,AFM测表面拓扑。XPS(以C 1s为基准)探测化学态。三电极体系(Ag/AgCl参比,Pt对电极)用CV、恒流充放电(CP)和EIS在CHI 660E工作站测试电化学性能。按标准协议计算比电容、能量和功率密度。
结果与讨论
ALD工艺复现海绵3D形貌,制得光滑、柔性、厚度均一的NMs。XRD确认混合锐钛矿/金红石相;拉曼显示两相特征峰,400循环样品额外出现610 cm⁻¹金红石峰,指示较厚沉积导致缺氧区域。
电化学测试显示所有TiO₂ NM电极呈现明显氧化还原峰,裸镍泡沫无,确证赝电容行为。100循环NM CV面积最大、CP放电时间最长,表明电容优越。1 A g⁻¹下比电容:100循环2332 F g⁻¹,200循环1780 F g⁻¹,400循环1094 F g⁻¹。能量密度同序:81、59、38 Wh kg⁻¹。功率密度随电流密度1至5 A g⁻¹从250增至1250 W kg⁻¹。
电化学阻抗谱显示100循环NM内阻最低,反映其高比表面积和柔性互联;400循环NM因电极-电解质界面减少和片层变硬致阻力较高。
5 A g⁻¹下40循环稳定性测试,100循环NM电容保持率80.98%,耐久性良好。两电极串联实测:5 A g⁻¹充电后驱动红色LED(~1.5 V)约1分钟,验证实用性。
结论
我们证实ALD在多孔模板上制备的超薄TiO₂纳米膜实现记录级赝电容性能:1 A g⁻¹下比电容2332 F g⁻¹,能量密度81 Wh kg⁻¹。混合锐钛矿/金红石相、高比表面积和优异柔性共同促进快速离子传输和低内阻。结果确立ALD生长TiO₂ NMs作为低成本、高性能、可穿戴储能器件的有前景平台。
缩写
- AFM
- 原子力显微镜
- ALD
- 原子层沉积
- CP
- 恒流充放电
- CV
- 循环伏安法
- DI
- 去离子水
- EIS
- 电化学阻抗谱
- LED
- 发光二极管
- NMs
- 纳米膜
- PTFE
- 聚四氟乙烯
- SEM
- 扫描电子显微镜
- TDMAT
- 四甲基氨基钛
- XPS
- X射线光电子能谱
- XRD
- X射线衍射
纳米材料
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