PDCs in silicon carbo-nitride and silicon nitride systems as electrode materials for supercapacitors applications

Abstract

O presente trabalho apresenta a obtenção de cerâmicas mesoporosas derivadas de polititanossilazanos e sua aplicação como material de eletrodo para aplicações como supercapacitores. Os polititanossilazanos foram sintetizados por reação entre o polissilazano HTT1800 e TDMAT, um precursor de Ti de baixo peso molecular. Os materiais sintetizados foram caracterizados e sua conversão polímero em cerâmica foi investigada em diferentes atmosferas de pirólise por FTIR, RMN e TGA. Ainda, o comportamento de cristalização e microestruturas das cerâmicas derivadas de polititanossilazanos foram investigados por DRX, Raman e MET. Os resultados mostraram a formação de fases cristalinas de TiN ocorridas na cerâmica amorfa do carbonitreto de silício em nitrogênio, enquanto o nitreto de silício foi formado sob amônia. Além disso, os polititanossilazanos sintetizados foram impregnados com sucesso usando um monólito de carvão ativado como modelo pelo método de nanocasting e foram posteriormente pirolisadas em diferentes atmosferas de amônia e nitrogênio. Caracterizações detalhadas foram investigadas por BET, DRX, Raman e SEM. Pode-se observar que todas as amostras exibiram excelentes valores de área superficial específica. Ademais, as cerâmicas mesoporosas apresentam caráter amorfo após tratamento térmico a 1400 °C, e apenas cristalização parcial principalmente de TiN é observada. Por fim, as cerâmicas mesoporosas SiCN e Si3N4 derivadas de polititanossilazanos foram testadas como eletrodos para aplicações em supercapacitores. O melhor desempenho eletroquímico foi obtido para amostras pirolisadas sob amônia com uma razão de Si:Ti de 2,5, sendo o mais alto desempenho já reportado para materiais de eletrodos baseados em PDCs não-óxidos em termos de capacitância específica. Os efeitos sinérgicos entre o monólito condutor de carvão ativado e a atividade catalítica das cerâmicas amorfas de Si3N4/SiCN com nanocristais de TiN são responsáveis pelo notável desempenho eletroquímico.

Abstract: The current work presents the synthesis and characterization of mesoporous polytitanosilazanes derived ceramics and its application as electrode materials for supercapacitors applications. The polytitanosilazanes were synthesized by reaction between of polysilazane HTT1800 and TDMAT, a low molecular Ti precursor. The synthesized materials were characterized and their polymer to ceramic conversion were investigated with different pyrolysis atmospheres by FTIR, NMR and TGA. Furthermore, the crystallization behavior and microstructures of polytitanosilazanes derived ceramics were investigated by XRD, Raman and TEM. The results showed the formation of TiN crystalline phases occurred within the amorphous ceramic of silicon carbo-nitride in nitrogen, while silicon nitride was formed under ammonia. Furthermore, the as-synthesized polytitanosilazanes were successfully impregnated using an activated carbon monolith as template by nanocasting method and subsequently pyrolyzed different atmospheres of ammonia and nitrogen. Detailed characterizations were investigated by BET, XRD Raman and SEM. It can be observed that all samples exhibit excellent values of SSA. In addition, the mesoporous ceramics are amorphous up to 1400°C, and only partial crystallization mainly of TiN phases is observed. Finally, polytitanosilazanes derived SiCN and Si3N4 mesoporous ceramics were tested as electrodes for supercapacitors applications. The best electrochemical performance was obtained for samples pyrolyzed under ammonia with a Si:Ti ratio of 2.5, which is the highest performances reported for electrodes materials based on non-oxide PDCs in terms of specific capacitance. The synergistic effects between the conductive activated carbon monolith and the catalytic activity of amorphous Si3N4/SiCN ceramics with nanoscaled TiN are responsible for the remarkable electrochemical performance.