Electrochemical, photoelectrochemical and spectroelectrochemical characterization of nanomaterials

Abstract

Oxid titaničitý (TiO2) a spinel Li4Ti5O12 patří mezi široce studované polovodivé oxidy kovů. Nanokrystalické formy TiO2 a Li4Ti5O12 jsou atraktivní pro použití v lithiových bateriích a oxid titaničitý také pro fotoelektrochemické solární články. Spinel Li4Ti5O12 by díky své struktuře umožňující ukládat větší Na+ ionty (v porovnání s Li+ ionty) mohl být i slibným materiálem pro sodíkové baterie. Nanokrystalický TiO2 anatas s převládající plochou {001} byl studován elektrochemicky cyklickou voltametrií inserce lithia a chronoamperometrií a porovnán s referenčním anatasem s dominantní plochou {101}. Voltametrické a chronoamperometrické difusní koeficienty a aktivační energie prokázaly, že anatasové nanokrystaly {001}mají oproti standardním anatasovým nanočásticím vyšší aktivitu vůči inserci Li+ . Anatasové nanokrystaly TiO2 s nejvíce exponovanou plochou {101} byly následně porovnávány s nanokrystaly s dominantní plochou {001} z hlediska potenciálu rovných pásů a kinetiky elektronů. Anatasové nanodestičky {001} měly ve srovnání s anatasovými nanočásticemi {101} negativnější potenciál rovných pásů, vyšší chemickou kapacitu a delší dobu života elektronů. Ramanovou spektroskopií a in situ Ramanovou spektroelektrochemií byla studována inserce Li+ do TiO2 anatasových nanočástic. Byly připraveny a studovány...

Titanium dioxide (TiO2) and spinel Li4Ti5O12 belong to widely studied semiconducting metal oxides. Nanocrystalline TiO2 and Li4Ti5O12 are attractive materials for applications in Li-ion batteries and the former also for photoelectrochemical solar cells. Moreover, spinel Li4Ti5O12 could be a promising material for Na-ion batteries too, because of possible accommodation of larger Na+ ions (compared to Li+ ). The nanocrystalline TiO2 anatase with a predominant {001} facet was studied electrochemically by cyclic voltammetry of Li+ insertion and by chronoamperometry and compared with anatase materials with dominating {101} facet. Both voltammetric and chronoamperometric diffusion coefficients and activation energies proved higher activity of anatase {001} nanosheets toward Li+ insertion than that of the usual anatase nanoparticles exposing the {101} facet. Subsequently, the flatband potential and electron kinetics of TiO2 anatase nanocrystals with mostly exposed facet {101} or {001} were compared. The anatase {001} nanoplatelets exhibited more negative flatband potential, higher chemical capacitance and longer electron lifetime than anatase {101} nanoparticles. The Li+ insertion into TiO2 anatase nanoparticles was studied by Raman spectroscopy and by in situ Raman spectroelectrochemistry. Four...