重庆大学扈玫珑教授、华威大学严志明研究员 JMCA：TiC纳米管阵列的合成及其卓越的超级电容器性能- 大数跨境

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重庆大学扈玫珑教授、华威大学严志明研究员 JMCA：TiC纳米管阵列的合成及其卓越的超级电容器性能

科学材料站

2022-03-31

导读：该文章报道了一种合成TiC纳米管阵列（TiC NTAs）材料的新方法，该工艺以TiO2纳米管阵列（TiO2 NTAs）为前驱体

文章信息

TiC纳米管阵列的合成及其卓越的超级电容器性能

第一作者：马通祥

通讯作者：扈玫珑*，严志明*

单位：重庆大学，华威大学

研究背景

高效的能源存储和转换技术对于可再生能源利用至关重要。在众多储能器件中，超级电容器因其功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、安全可靠等优点而备受关注，但较低的能量密度制约了其发展和应用。

超级电容器的性能主要取决于电极材料，有序的纳米阵列材料被认为是一种理想的电极结构，可以避免电极材料的堆积，提供更高的比表面积和顺畅的离子传输路径，有望克服传统电极结构的局限性，从而提高超级电容器的能量密度和倍率性能。

近年来，TiC由于具有良好的导电性、机械稳定性和化学稳定性，在电化学储能领域备受关注。然而，TiC纳米阵列电极材料的合成和应用却鲜有报道，并且目前的TiC制备技术普遍存在生产温度高(>1100 ℃)、尺寸和形貌难以调节等问题。因此，开发一种简便、低温、低成本的TiC纳米阵列合成技术仍然是一项挑战。

文章简介

基于此，来自重庆大学的扈玫珑教授与华威大学的严志明研究员合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Synthesis of TiC nanotube arrays and their excellent supercapacitor performance”的文章。

该文章报道了一种合成TiC纳米管阵列（TiC NTAs）材料的新方法，该工艺以TiO₂纳米管阵列（TiO₂ NTAs）为前驱体，在低温熔盐中（600 ℃）通过电脱氧和碳化反应将其转化为TiC NTAs。制备得到的TiC NTAs完整遗传了前驱体的纳米形貌，表现出高度定向、高度有序的管状阵列结构，并展现出了卓越的电化学储能性能。

本工作展示了一种高性能的TiC纳米阵列电极材料，促进了TiC在储能领域的应用和发展，并且为纳米金属碳化物的低温制备提供了一种通用的方法，给其他纳米金属碳化物的合成开辟了新的机遇。

本文要点

要点一：低温合成TiC纳米管阵列

TiC NTAs的合成过程如图1所示。首先，通过二次阳极氧化技术在钛板上形成有序的TiO₂ NTAs（图1b）。之后经过高温退火，将阳极氧化得到的非晶态TiO₂ NTAs转变为锐钛矿相，提高了TiO₂ NTAs薄膜的导电性和与基体间的附着力（图1c）。

最后，以CO₂作为碳源，在低温熔盐中（600 ℃）通过电脱氧和碳化反应将其转化为TiC NTAs，制备得到的TiC NTAs完整遗传了TiO₂ NTAs的管状阵列结构，并且直接附着在钛基片上，无需额外的导电粘结剂。

图1. TiC NTAs的制备工艺

要点二：TiC纳米管阵列的表征

通过透射电镜进一步分析了TiC NTAs的微观结构（图2a），可以看出这些高度定向的纳米管紧密排列着，具有内部通畅的空心管状结构。Ti和C的元素映射分析也进一步证实了纳米管的物相组成。此外，SAED图显示了TiC典型的晶环特征，两个相邻晶格的间距为0.22 nm，对应了立方TiC（JCPDS 65-0242）的（200）晶面。

采用XRD和XPS对样品的物相成分进行了测定。从图2b中可以发现，经过电脱氧和碳化反应后，产物的XRD谱图显示出了典型的TiC相（JCPDS 65-0242）衍射峰，这些衍射峰分别对应于（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面，这与SAED中衍射环的结果一致，表明TiO2 NTAs成功转化为了TiC NTAs。

此外，采用XPS进一步分析了电解后产物的元素组成。在Ti 2p光谱（图2c）中，Ti 2p_1/2(460.5 eV)和Ti 2p_3/2 (454.8 eV)处有两个明显的Ti−C特征峰，在C 1s谱中也观察到TiC在281.6 eV和282.5 eV处的两个特征峰。

图2. TiC NTAs的表征

要点三：TiC纳米管阵列的电化学储能性能

将TiC NTAs电极与PVA-H₃PO₄凝胶电解质组装成柔性准固态超级电容器。结果表明，TiC NTAs电极在PVA-H₃PO₄电解质中，面积比电容可以达到53.3 mF cm⁻²（电流密度：0.2 mA cm⁻²），并且能量密度高达4.6 μWh cm⁻²（功率密度78.9 μW cm⁻²）。经过10000次循环后，电容仍可保持在106 %，TiC纳米管结构几乎没有损伤，具有稳定的循环寿命。此外，器件具有良好的柔韧性，不同曲率下的面积比电容基本稳定。