上海大学《ACS ANM》：杂原子修饰的TiO2/石墨烯气凝胶复合材料，用于超级电容器

成果简介

杂原子掺杂是产生氧空位和改善材料电化学性能的有效途径。然而，杂原子掺杂过程较为复杂，难以保证缺陷的同时产生。本文，上海大学焦正研究员、程伶俐研究员等在《 ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Heteroatom Modified TiO2/Graphene Aerogel Composites by Electron Beam Irradiation in Supercapacitors”的论文，研究采用简单的水热法合成了TiO2量子点/石墨烯气凝胶复合材料。通过电子束辐照成功地引入了N和S原子，并引入了大量缺陷。进一步研究了辐照剂量对化合物掺杂量、元素形貌和电化学性质的影响。

石墨烯的双层电容与TiO2量子点的赝电容之间的协同效应，以及杂原子掺杂和缺陷的引入，有利于提高材料的电化学性能。NT-NSG-140作为超级电容器的电极材料，在140 kGy的照射剂量下表现出最佳的电化学性能。在 5 A g –1的高电流密度下，NT-NSG-140保持127.8 F g–1的容量.这项工作为设计含有杂原子的高性能材料提供了一种环保、简单、高效的方法。

图文导读

方案1.氮掺杂TiO2/氮硫共掺杂石墨烯气凝胶（NT-NSG-X）的整体合成工艺示意图

方案2. 掺有氮和硫原子的TiO2/石墨烯气凝胶的示意图

图1：（a和b）NT-NSG-140的SEM和TEM图像；（c和d）T-G-0、NT-NSG-X（X=70、140、210、280）的XRD图谱和氮气吸附-解吸等温线

图2:（a） TEM图像；（b） HRTEM；（c） NT-NSG-140的STEM图像；（d–h）来自NT-NSG-140的C、N、O、S和Ti元素的EDS元素图谱图像；（i） 相应的选区电子衍射（SEAD）图案。

图3. T-G-0和NT-NSG-X（X=70，140，210，280）的全范围X射线光电子光谱；NT-NSG-140的高分辨率XPS光谱（b）C 1s；（c）N 1s；（d）O 1s；（e）S 2p；（f）Ti 2p。

图4. T-G-0和NT-NSG-X（X=70，140，210，280）电极的电化学性能

图6：（a）NT-NSG-140在不同扫描速率下的CV曲线；（b）NT-NSG-140在不同电流密度下的GCD曲线；（c）NT-NSG-140在不同电流密度下的比电容；（d）固态超级电容器的图像；（e）由三个超级电容器阵列串联供电的红色LED图像；（f）NT-NSG-140电极与先前报道的超级电容器的比较。

小结

综上所述，N和S共掺杂石墨烯的双层电容与N掺杂TiO2的赝电容之间的协同效应导致了更好的比电容和优异的循环稳定性。

文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00709