velikost textu

Electrochemical, photoelectrochemical and spectroelectrochemical characterization of nanomaterials

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Electrochemical, photoelectrochemical and spectroelectrochemical characterization of nanomaterials
Název v češtině:
Elektrochemická, fotoelektrochemická a spektroelektrochemická charakterizace nanomateriálů
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Barbora Lásková
Školitel:
prof. RNDr. Ladislav Kavan, DSc.
Oponenti:
Ing. Jan Šubrt, CSc.
prof. Ing. Josef Krýsa, Ph.D.
Konzultant:
RNDr. Markéta Zukalová, Ph.D.
Id práce:
94292
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra anorganické chemie (31-240)
Program studia:
Anorganická chemie (P1401)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
16. 10. 2017
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Abstrakt 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 čtyři izotopologické 6/7Li 16/18O kombinace, xTi 2 (kde x je inserční koeficient). Kombinace experimentálních a teoretických Ramanových frekvencí s odpovídajícími izotopickými posuny představuje nový přístup k řešení otevřených otázek inserce lithia do TiO2 (anatasu). Cyklické voltamogramy inserce lithia do TiO2 (B) a anatasu poskytly informaci o podílu kapacitního příspěvku k celkovému náboji uloženého lithia. Bylo zjištěno 30%ní navýšení kapacitního příspěvku (normalizovaného na celkový uložený náboj) v TiO2 (B) oproti kapacitnímu příspěvku v anatasu. Usnadněnou inserci Li+ do TiO2 (B) lze vysvětlit odlišným mechanismem ukládání Li+ do TiO2 (B), které je pseudokapacitní. Cyklickou voltametrií byla studována inserce sodíku do nanokrystalického spinelu, Li4Ti5O12 (nanoLTS). Během dlouhodobého cyklování byly pozorovány změny v cyklickém voltamogramu nanoLTS. Ramanova spektra nanoLTS po inserci Na ukázala, že dochází ke zformování kosočtverečné fáze Li0.5TiO2 v nanoLTS. Vznik této fáze je zdůvodňován indukovanou redistribucí Li+ iontů do stopových anatasových nečistot.
Abstract v angličtině:
Abstract 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 combinations of isotopologues, namely 6/7LixTi16/18O2 (x is the insertion coefficient), were prepared and studied. The combination of experimental and theoretical Raman frequencies with the corresponding isotopic shifts brings new inputs for still open questions about the Li-insertion into TiO2 (anatase). The cyclic voltammograms of Li+ insertion into TiO2 (B) and anatase provided information about capacitive contributions to the overall charge of Li-storage. The enhancement by 30% is found in capacitive charges (normalized to the total voltammetric charges) in TiO2 (B) compared to those in anatase. Facilitated Li-insertion in TiO2 (B) is explained by different charging mechanism caused by pseudocapacitive Li-storage in the bulk TiO2 (B). Sodium insertion into nanocrystalline spinel, Li4Ti5O12 (nanoLTS) was investigated by cyclic voltammetry. Changes in the cyclic voltammograms of nanoLTS were observed during long-term cycling. Raman spectroscopy of nanoLTS after Na-insertion reveals a formation of orthorhombic Li0.5TiO2 phase. The occurrence of this phase is ascribed to induced Li+ redistribution into trace anatase impurities.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Barbora Lásková 1.72 MB
Stáhnout Příloha k práci Mgr. Barbora Lásková 10.3 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Barbora Lásková 267 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Barbora Lásková 263 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Barbora Lásková 785 kB
Stáhnout Posudek oponenta Ing. Jan Šubrt, CSc. 280 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Ing. Josef Krýsa, Ph.D. 215 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 747 kB