具有大量裸露的（001）面的TiO2空心球在快速可逆锂存储中的使用外文翻译资料

 2022-07-29 17:00:41

英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

具有大量裸露的（001）面的TiO2空心球在快速可逆锂存储中的使用

Shujiang Ding,a Jun Song Chen,a Zhiyu Wang,a Yan Ling Cheah,b Srinvivasan Madhavi,b Xiao Hub

and Xiong Wen Loua*

我们报道了一个简易的方法来合成一种由具有大量暴露的（001）面的锐钛矿型TiO2纳米片组装的均匀空心球。这些分级TiO2空心球拥有高达134.9m2·g-1的比表面积，在锂存贮中表现出很高的库伦效率，优异的保有容量，以及由于结构单元的独特晶面和中空结构引起的高行为效率。

二氧化钛（TiO2）在基础研究和技术应用（例如能量存储1-5和光催化）中扮演了十分重要的角色。6-7在二氧化钛多晶型物中，锐钛矿型二氧化钛是被研究的最广泛的。8计算得出，锐钛矿型TiO2的（001）和（101）面的表面能分别为0.90和0.44J·m2.9因此，锐钛矿纳米晶体主要由具有能量优势的（101）小面结合而成。虽然那些高能（001）面更容易在晶体生长的最早阶段形成，但它们很快在进一步生长期间被除去。10因此，制备具有暴露的（001）面的纳米/微型锐钛矿型二氧化钛晶体十分具有挑战性。最近，Yang等开创性地完成了制备具有47%暴露的（001）面的锐钛矿型二氧化钛的工作并进行了报道。11接下来一系列合成高达87%暴露（001）面的片状锐钛矿TiO2单晶的研究工作也已经进行了报道。6，12-14尽管（001）小面的百分比很高，但因为沿着（001）方向有相对较大的晶粒尺寸，所以这些TiO2纳米/微晶的比表面积通常较低。（001）面的绝对量在实际应用中更有意义，例如，光催化。第二个挑战是，如何合成高表面积且具有暴露（001）面的纳米/微晶TiO2晶体。Wu等人通过减小[001]方向的厚度并增加（001）面的二维横向尺寸，采用一种灵活的非水性途径合成了厚度小于1nm的锐钛矿型TiO2纳米片（NSs）。15但是他们的方法通过煅烧除去稳定剂（油胺)获得纯锐钛矿TiO2，这可能导致NS结构的缩合甚至破坏。因此第三个挑战是，防止这些纳米/微晶与大量暴露的（001）小面聚集。正如最近对超薄沸石和TiO2NSs所证实的那样，让它们生长成三维（3-D）自组装结构是一种很有希望的方法来获得稳定超薄NS。5，16，17

下一个挑战是，如何以具有暴露（001）面的锐钛矿TiO2纳米片为基础模块构建空心结构。空心结构在很多应用中都具有优势。1，18，19例如，中空结构可以改善可逆锂储存能力。这可以有很多理由来解释。首先，中空结构中的空腔可以提供额外的活性位用于存储锂离子，这有利于提高比容量。第二，中空结构通常能扩大表面积，降低锂离子的有效扩散距离，产生更好的速率能力。更重要的是，中空结构中的空隙空间缓冲了在锂插入/提取期间的局部体积变化，并且能够减轻电极材料的粉碎和聚集的问题，从而提高循环性能。18

在这里，我们介绍一种简易的方法合成由空心球组成的具有大量暴露（001）面的锐钛矿型TiO2NSs。我们的策略是基于具有大量暴露（001）面的锐钛矿型TiO2NS在聚苯乙烯空心球（PHS）（图S1dagger;）的磺化凝胶基质中的原位生长，如方案1所示。20，21由于聚合物凝胶壳内存在亲水性官能团，TiO2NS将在聚合物凝胶基质中生长并发展成分层结构。使用PHS模板可以有效减少燃烧除去模板期间的气体排放量。由此，以TiO2NS组装的中空球可以被很好地保存。在氮气或空气中退火以后，PHS@TiO2-NSs分别转化为碳@TiO2-NS或个别TiO2NS。

Scheme 1，由纳米片组成的TiO 2空心球的示意图。

通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）检测之前所制备的PHS @ TiO2-NS空心球的形态。很明显，之前制备的这些空心球是非常均匀的，平均外径和内径分别为500nm和300nm（图1a和b）。在凝胶基质上生长的纳米片清晰可见。通过在氮气下在550℃下将PHS @ TiO2-NSs退火8小时来获得碳@ TiO2-NS空心球（参见实验部分）。FESEM和TEM图像（图1c和d）显示，尽管在退火期间收缩，纳米片空心球（NSHS）可以完全保留。外径和内径分别减小到460nm和350nm。

元素分析（TGA和CHN）显示这些碳@ TiO2-NS空心球中的碳含量为约40wt%(图S2dagger;）。在400℃的空气中处理后，得到的TiO2-NS中空球低于3wt％。通过X射线衍射（XRD;图2a，II部分）验证所得产物的晶体组成。所有鉴定的峰可以完美地转换为锐钛矿型TiO2(JCPDS card no. 21-1272; space group I41/amd; a0= 3.7852 A, c0=9.5139 A)。原始的未络合的PSH @ TiO2NSHS在锐钛矿相中具有较差的结晶度，如第一部分中图2a所示，其中位于2qplusmn;25和48的两个弱峰可分别归因于锐钛矿（101）和（200）衍射。通过N2吸附/解吸研究了TiO2NSs组件的结构特征，结果示于图2b中。等温线属于具有H3型磁滞回线的IV型等温线，表示介孔结构。22使用等温线的吸附分支的Barrett-Joyner-Halenda（BJH）方法计算的相对窄的孔径分布（图2b，插图）表明大多数孔的尺寸在5-7nm范围内。这种多孔结构产生的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积高达134.9m2g-1。FESEM和TEM图像（图3a和b）显示，即使在空气中煅烧后，TiO2NSHS仍保存得十分完好。高分辨率TEM（HRTEM）用来检查晶面。TiO2中空球的边缘的高放大率TEM图像（图3c）清楚地显示出球体是由纳米片组成的。图3d显示出了具有可见晶格条纹的单个NS的一部分。从图3d中可以看出，存在两组晶格，它们以0.19nm的相等的平面间隔彼此垂直取向。因此，这两个晶格可以分配为锐钛矿（020）和（200）晶面。相同区域的快速傅立叶变换（FFT）图案（图3d，插图）也可以被索引到[001]区的衍射斑点。11因此，可以得出结论，TiO2纳米片在顶部和底部表面上由（001）面结合。

图1，所制备的PHS @ TiO2空心球的SEM和TEM图像（a和b）;在氮气下处理的碳@ TiO2中空球的SEM和TEM图像（c和d）。

图2（a）样品的XRD图：（I）热退火前的TiO2空心球和（II）在空气中煅烧后的TiO2NS空心球。 （b）TiO 2 NS中空球的N2吸附/解吸等温线; 插图显示了使用BJH方法从吸附曲线计算的孔径分布。

锐钛矿TiO2可以用作可逆锂插入/提取的主体结构，这已经在实验和理论上得到了充分研究。1，3，4，18，23已知控制TiO2/ Li半电池中的电化学过程的主要反应是：

TiO2 xLi xe4——LixTiO2 （1）

并且最大插入系数x被确定为~0.5。11因此可以计算出锐钛矿TiO 2的理论锂存储容量为167.5mAhg-1.1这证明了在锐钛矿骨架中Li 离子的扩散沿连接空的八面体间隙位点的反应路径发生，3，25使得沿着c轴（即，在[001]方向）的扩散比在ab平面中更有效。因此，预期这些具有显着（001）面的TiO2NSHS可以具有快速的锂插入/提取动力学。

图3（a和b）在空气中处理的TiO 2中空球的SEM和TEM图像。 （c）在具有纳米片的TiO 2球的边缘周围记录的TEM图像。 （d）单个纳米片的HRTEM图像，两个方向上的晶格条纹间隔为0.19nm。

锐钛矿TiO2NSHS的代表性循环伏安图（CV）如图4a所示，在〜1.6V（阴极扫描）和〜2.1V（阳极扫描）下观察到两个显着的电流峰，这与先前的研究结果一致。当等式（1）中的插入系数x达到0.5时，在〜1.6V的峰被认为是发生了从四方晶锐钛矿（I41 / amd）到正交Li0.5TiO2（Imma）的两相跃迁。1，3，25有趣的是，两个峰的强度在随后的扫描期间略微增加，这表明在电极材料中可能发生了一种激活过程。23更重要的是，在第一次阴极扫描中没有观察到明显的不可逆过程，这表明锂提取具有很高的库仑效率。这种TiO2NSHSs的特征与正常的锐钛矿TiO2样品有很大的不同。

在1C的电流速率（170mAg-1）下的前三个循环的TiO2NSHSs电极的充电 - 放电电压曲线如图4b所示。结果总体与上述CV分析以及先前报道的数据一致，26，27其中在放电和充电过程中分别在〜1.7和〜2.0V出现两个电压平台。从放电曲线，可以清楚地看到，锂插入过程可以分为三个不同的阶段。27第一阶段是电位从开路电压快速下降到值〜1.7V。第二阶段是水平平台区，其反映锂插入TiO2晶体结构的空位的过程。最后一个阶段是将锂离子插入电极材料的表面层中，对应于平稳区域之后的电压的逐渐衰减。27第一放电容量为266mAhg-1，随后的充电容量为180mAhg-1，产生了32.3％的不可逆容量损失。 其他锐钛矿TiO2电极的初始不可逆容量损失通常在30-50％的范围内。众所周知的第一循环放电容量部分地由伴随固体 - 电解质界面（SEI）的形成的电解质的不可逆分解引起。在第二个循环中，放电和充电容量分别为220和180 mAhg-1，这导致高达81.8％的库仑效率。由于在TiO 2骨架内的Li 离子的捕获而导致的不可逆容量损失在循环时迅速降低,26这是由库仑效率的增加（在第三循环中为83.7％）反映的。

图4（a）在第一，第二和第五周期的扫描速率为0.2mV s-1时的代表性CV; （b）在第一，第二和第三循环的1C的电流速率（170mA g-1）下的充电 - 放电曲线。所有测量使用1.0-3.0V的电压窗口进行。

图5（a）不同C速率下的循环性能。（b）各种充放电速率下的循环性能。所有测量使用1.0-3.0V的电压窗口进行。

图5a显示了不同C速率下TiO2NSHS的循环性能。可以看出，在不同电流密度（C速率）下的许多充电 - 放电循环中的电化学反应是高度可逆的。当以1C（170mAg -1）的速率循环时，锂离子电池需要约1h以达到其满容量。在这个低电流速率下，在超过200次充电 - 放电循环后仍然可以保持148mAh-1的可逆容量。锂插入系数（式（1）中的x）为0.44，稍微低于先前确定的最大值0.5。当C率增加到5C（850mAg-1）时，在200次循环后可逆容量下降到123mAhg-1。进一步将C速率增加到10C（1700mAg-1）则有98mAhg-1的容量。在高C速率下稳定的充放电性能展现了Li 离子的高效固态扩散，这是因为在TiO<s

全文共13087字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</s

资料编号：[143380]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章