氧氮化钛纳米线的热处理控制形态学修饰用于电容储能和电催化反应

Energy Technol.：电纺氧氮化钛纳米线的热处理控制形态学修饰，用于电容储能和电催化反应

DOI: 10.1002/ente.202000184

在此，通过对电纺纳米线的分步控制热处理，制备了不同形态的一维氮氧化钛纳米线（TiON NWs），并根据后退火工艺改变的理化特性分析其电化学性能。采用直接氮化（1step）和顺序氧化氮化（2step）工艺，将由钛前驱体和聚合物组成的纳米线转变为TiON NWs（TiON-1step NW和TiON-2step NW）。TiON-1step NW表现出相对较高的表面积和孔体积，这可归因于直接氮化步骤中形成的小晶粒尺寸和非晶态碳物种，而在TiON-2step NW中观察到晶粒生长和碳分解。当将制备的纳米线应用于电化学电容器和氧还原反应（ORR）时，TiON-1step NW的性能显著高于TiON-2step NW（ORR中的电容高200％，半波电势低0.17 V）。结果表明，电化学性能的变化主要受两种TiON NWs形态差异的影响。TiON-1step NW中残留的碳组分还有助于改善所应用的电化学反应中的电导率以及结构稳定性。从形态学修饰的角度对实验结果进行了详细的分析。

图1.制备的a）TiON-1step NW和b）TiON-2step NW的SEM图像。c）制备的纳米线（TiON-1step NW、TiON-2step NW和TiO2 NW）和商用TiN粉末的XRD图案。

图2.a）TiON-1step NW和d）TiON-2step NW的明场TEM图像，以及插图中的相应SAED模式。b）TiON-1step NW和e）TiON-2step NW的HRTEM图像。插图是放大的图像。对于c）TiON-1step NW和f）TiON-2step NW的Ti、O、N和C元素的STEM-EELS映射图像。

图3.a）TiON-1step NW、TiON-2step NW和TiO2 NW的氮气吸附-解吸等温线和b）孔径分布。

图4.TiON-1step NW的a）全扫描、b）Ti 2p、c）N 1s和d）O 1s区域的XPS光谱。

图5.a）Ti K边缘XANES光谱，b）前边缘区域的放大光谱，c）TiON-1step NW、TiON-2step NW和TiO2 NW以及参照（商业TiN、Ti金属箔）的一阶导数光谱和d）平均氧化态与边缘能之间的对应关系。

图6.在三电极电池中进行的各种电化学分析的结果。a）扫描速度为10 mV s-1时的循环伏安图，b）电流密度为0.5 A g-1时的恒电流充放电曲线，以及c）在100 kHz至10 mHz频率范围内测得的TiON-1step NW、TiON-2step NW、TiO2 NW和商用TiN 的奈奎斯特图。d）在3000次循环中以100 mV s-1的扫描速率测量的TiON-1step NW和TiON-2step NW的CV循环性能。

图7.在对称的两电极电池中进行的各种电化学分析的结果。a）扫描速率为10 mV s-1的循环伏安图，以及c）电流密度为0.5 A g-1时，TiON-1step NW和TiON-2step NW的恒电流充电/放电曲线。b）在5至200 mV s-1的不同扫描速率下的循环伏安图，以及d）在0.1至10.0 A g-1的不同电流密度下，TiON-1step NW的恒电流充电/放电曲线。e）在不同扫描速率下TiON-1step NW和TiON-2step NW的比电容，以及f）相应的能量密度/功率密度。

图8.在0.1 M KOH电解液中进行ORR测量的结果。a）TiON-1step NW在N2或O2饱和电解质中的循环伏安图，扫描速率为50 mV s-1。b）TiON-1step NW、TiON-2step NW、TiO2 NW和商用TiN在1600 rpm转速下的ORR偏振曲线；c）TiON-1step NW在O2饱和电解质中，在400至2500 rpm不同转速下的偏振曲线。d）在O2饱和的电解质中，TiON-1step NW和20％Pt/C在0.65 V（vs RHE）下20000 s的计时电流响应，插图为甲醇耐受性测试结果。

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文章来源：易丝帮