Investigation on charge storage behaviors of carbon and titanium-based nanofoam with their compoites in aqueous electrolyte

Supercapacitors are widely praised for their rapid charging-discharging rates which exhibit high power density and they are expected to fill the performance gap between traditional electrostatic capacitors and advanced battery-like systems. Among all active materials applied on supercapacitor positive electrodes, nanostructured carbon materials possess a high surface-to-volume ratio and excellent conductivity in many electrolytes, achieving peculiar charge storage performances through double-layer capacitance. On the other hand, transition metal compounds like oxide or nitride exhibit ingenious and multi-step valence electron transitions, which permit rapid surface-controlled faradaic reactions to store the charges with a higher energy density. Therefore, applying redox-active materials on a porous carbon matrix is considered a classical strategy to yield the synergistic effects from both electrostatic and Faradaic-like capacitance. However, the applications of carbon-nanofoam-based electrodes are still limited in Supercapacitors compared to activated carbon or carbon nanotubes, and the possibility of improving its performances through doping with transition metal oxides requires more clarification. My Master's thesis aims to determine the charge storage behavior of carbon nanofoam, Ti nanofoam and Carbon-Ti composite nanofoam deposited by PLD in aqueous electrolyte. The composite films are condensed by splitting the laser beam to ablate the TiN and Graphite targets simultaneously and moving the laser spot on the target would yield nanofoam in different elemental compositions. The Morphological properties of deposited nanofoams are investigated by Scanning Electron Microscopy and atomic composition are estimated from the elemental mapping sketched by Energy Dispersive X-ray spectroscopy. Raman Spectroscopy is employed for structure investigation of disordered carbon and titanium film. Cyclic Voltammetric, Galvanostatic Charge-Discharge, and Impedance spectroscopy measurements were conducted to evaluate the specific capacitance, rate performance, cyclic stability, and impedance responses for all samples. It is found that titanium oxynitride films possess the highest conductivity and largest specific capacitance among all electrodes, while co-deposited Carbon-Titanium films fail to improve the performance of Carbon Nanofoam. Based on that, more Composite films are condensed under different chamber pressures during PLD, and they manage to yield higher capacitance than carbon nanofoam. It is found that increasing PLD chamber pressure has two-fold effects on electrode charge storage performance since higher porosity enhances the volumetric capacitance of the Carbon-Titanium composite to a certain extent while lower conductivity may limit the capability which the surface area could be uiltized.

I supercondensatori sono ampiamente apprezzati per le loro rapide velocità di carica-scarica che presentano un'elevata densità di potenza e si prevede che colmeranno il divario prestazionale tra i tradizionali condensatori elettrostatici e i sistemi avanzati simili a batterie. Tra tutti i materiali attivi applicati sugli elettrodi positivi dei supercondensatori, i materiali di carbonio nanostrutturati possiedono un elevato rapporto superficie-volume e un'eccellente conduttività in molti elettroliti, ottenendo peculiari prestazioni di accumulo di carica attraverso la capacità a doppio strato. D'altra parte, i composti dei metalli di transizione come l'ossido o il nitruro mostrano transizioni elettroniche di valenza ingegnose e multi-stadio, che consentono rapide reazioni faradaiche controllate dalla superficie per immagazzinare le cariche con una densità di energia più elevata. Pertanto, l'applicazione di materiali redox-attivi su una matrice di carbonio porosa è considerata una strategia classica per ottenere effetti sinergici sia dalla capacità elettrostatica che da quella di tipo Faradaica. Tuttavia, le applicazioni degli elettrodi a base di nanoschiuma di carbonio sono ancora limitate nei Supercondensatori rispetto al carbone attivo o ai nanotubi di carbonio, e la possibilità di migliorarne le prestazioni attraverso il drogaggio con ossidi di metalli di transizione richiede maggiori chiarimenti. La mia tesi di Master mira a determinare il comportamento di accumulo di carica di nanoschiuma di carbonio, nanoschiuma di Ti e nanoschiuma composita Carbon-Ti depositati mediante PLD in soluzione acquosa. I film compositi vengono condensati dividendo il raggio laser per ablare simultaneamente i target TiN e grafite e spostando il punto laser sul target si otterrebbe nanoschiuma in diverse composizioni di elementi. Le proprietà morfologiche delle nanoschiume depositate vengono studiate mediante microscopia elettronica a scansione e la composizione atomica viene stimata dalla mappatura elementare delineata mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. La spettroscopia Raman viene utilizzata per lo studio della struttura di film disordinati di carbonio e titanio. Sono state condotte misurazioni di spettroscopia voltammetrica ciclica, di carica-scarica galvanostatica e di impedenza per valutare la capacità specifica, le prestazioni di velocità, la stabilità ciclica e le risposte di impedenza per tutti i campioni. Si è scoperto che i film di ossinitruro di titanio possiedono la più alta conduttività e la più grande capacità specifica tra tutti gli elettrodi, mentre i film di carbonio-titanio co-depositati non riescono a migliorare le prestazioni del nanofoam di carbonio. Sulla base di ciò, più film compositi vengono condensati a diverse pressioni della camera durante il PLD e riescono a produrre una capacità maggiore rispetto alla nanoschiuma di carbonio. Si è scoperto che l'aumento della pressione della camera PLD ha un duplice effetto sulle prestazioni di stoccaggio della carica dell'elettrodo poiché una maggiore porosità migliora in una certa misura la capacità volumetrica del composito carbonio-titanio mentre una conduttività inferiore può limitare la capacità di utilizzo dell'area superficiale.