Tailoring morphology and chemical composition of layered materials for sustainable energy production and storage

Abstract

In chapter I, carbon nitrides of triazole-based C3N4.8, C3N6, and C3N7 have been recently discovered, and their inherent properties remain largely unknown. In this work, the triazole-based C3N4.8, C3N6, and C3N7 are for the first time exfoliated via a sonochemical process. Surprisingly, the triazole-based atomic structure of these materials remains unchanged after the sonochemical process, which is contrary to general expectation for nitrogen-rich compounds to be easily decomposed by high external energy. Valence band positions are not very different between triazole-based C3N4.8, C3N6, and C3N7 nanosheets while conduction band position shifts toward more negative potential in the order of triazole-based C3N7, C3N6, and C3N4.8. The nitrogen-richest C3N7 nanosheets with tailored band structure outperforms not only bulk C3N7 but also g-C3N4 nanosheets as a photocatalyst in nitrogen reduction reaction, highlighting effectiveness of the exfoliation of the triazole-based carbon nitrides for efficient photocatalytic ammonia production. In chapter Ⅱ, antimony has attracted considerable research interest as a promising anode candidate due to its high theoretical capacity of 660 mAh/g for sodium ion batteries. However, it has poor cycling stability due to its extreme volume change that occurs during the alloying/dealloying processes. To solve this problem, iron-doped antimony nanoparticles (Fe-SbNPs) are successfully synthesized via wet-chemical reaction. The reaction is a one-pot reaction in which crystal growth of antimony and iron doping into antimony are simultaneously achieved. The Fe-SbNPs show reduced charge transfer resistance and additional charge storage properties compared to non-doped antimony nanoparticles (Non-SbNPs). The changed physicochemical properties of Fe-SbNPs electrodes contribute to their enhanced sodium storage performance, delivering reversible discharge capacities of 734 mAh/g at 0.2 A/g after 30 cycles. This clear increase in specific capacity indicates that doping with iron improved sodium storage performance because it resulted in superior electrochemical performance and improved electronic conductivity.;트리아졸계 C3N4.8, C3N6 및 C3N7의 질화탄소가 최근 발견되었으며, 이들의 고유 특성은 거의 알려지지 않은 상태로 남아 있습니다. 이 연구에서는 트리아졸 기반 C3N4.8, C3N6 및 C3N7이 최초로 초음파화학 공정을 통해 박리되었습니다. 놀랍게도 이들 물질의 트리아졸 기반 원자 구조는 초음파화학 공정 후에도 변하지 않은 상태로 유지되는데, 이는 질소가 풍부한 화합물이 높은 외부 에너지에 의해 쉽게 분해된다는 일반적인 예상과는 상반됩니다. 원자가띠 위치는 트리아졸 기반 C3N4.8, C3N6 및 C3N7 나노시트 간에 크게 다르지 않지만 전도띠 위치는 트리아졸 기반 C3N7, C3N6 및 C3N4.8 순서로 더 음전위 쪽으로 이동합니다. 맞춤형 밴드 구조를 가진 질소가 가장 풍부한 C3N7 나노시트는 질소 환원 반응에서 광촉매로서 벌크 C3N7뿐만 아니라 g-C3N4 나노시트보다 성능이 뛰어나 효율적인 광촉매 암모니아 생산을 위한 트리아졸 기반 질화탄소물 박리의 효율성을 강조합니다. 안티몬은 나트륨 이온 배터리에 대한 660 mAh/g의 높은 이론 용량으로 인해 유망한 음극 후보로 상당한 연구 관심을 끌었습니다. 그러나 Li-Sb 합금/탈합금 공정 중에 발생하는 극심한 부피 변화로 인해 사이클링 안정성이 좋지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 철이 도핑된 안티몬 나노입자(Fe-SbNPs)가 습식 화학 반응을 통해 성공적으로 합성되었습니다. 이 반응은 안티몬의 결정 성장과 안티몬으로의 철 도핑이 동시에 달성되는 원팟(one-pot) 반응입니다. Fe-SbNPs는 도핑되지 않은 안티몬 나노입자(Non-SbNPs)에 비해 감소된 전하 이동 저항과 추가 전하 저장 특성을 나타냅니다. Fe-SbNPs 전극의 변경된 물리화학적 특성은 향상된 나트륨 저장 성능에 기여하여 30 사이클 후 0.2 A/g에서 734mAh/g의 가역 방전 용량을 제공합니다. 이러한 비용량의 명확한 증가는 철을 이용한 도핑이 우수한 전기화학적 성능과 향상된 전자 전도도를 가져왔기 때문에 나트륨 저장 성능이 향상되었음을 나타냅니다.