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Synthesis of highly substitutional nitrogen doped TiO2 via oxygen vacancy mediated strategy for ultrafast-charging lithium ion storage

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作者
Youpeng Li,Lingzhi Zhang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:431: 134164-134164 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.134164
摘要

Substitutional nitrogen (SN) doping is an effective approach to simultaneously enhance the ionic diffusion kinetics and increase the electronic conductivity of TiO2 being as host for lithium-ion storage. Nevertheless, achieving SN doping with high concentration in well-crystallized TiO2 nano-particles is still a great challenge. Herein, guided by density functional theory (DFT) calculations, an oxygen vacancy-mediated SN doping strategy is purposed to modify the surface structure of TiO2 nano-particles. A reduced TiO2-x amorphous layer with rich oxygen vacancy on the surface of TiO2 nano-particles brings about high doping concentration of SN (∼13.8 atom%) and thus a TiO2@TiO2-x-SN [email protected] heterojunction is constructed. The high doping concentration of SN in TiO2-x-SN shell of TiO2@TiO2-x-SN heterojunction favors the diffusion kinetics of Li+ due to the formation of local electric field at its heterointerface region and reduced diffusion barrier of Li+. Moreover, TiO2@TiO2-x-SN heterojunction shows a decreased band gap of 2.37 eV after increasing the doping concentration of SN, facilitating the transport of electrons. Thus, the TiO2@TiO2-x-SN electrode displays high reversible specific capacity of 362.7 mAh g−1 at 0.1C and ultra-long cycling structural stability (with a capacity retention of 76.1% after 5000 cycles at 20C). A Li+ hybrid capacitor, assembled by activate carbon cathode and pre-lithitated TiO2@TiO2-x-SN anode, shows high energy/power densities (114.8 Wh kg−1/305.1 W kg−1 and 90.2 Wh kg−1/5659.8 W kg−1). This work paves a way for developing high concentration of heteroatom doping metallic oxides and offers comprehensive understandings for the relationship between doping concentration of heteroatoms and energy storage mechanism.
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